厚煤層沿空掘巷工作面煤柱留設研究

閆大鶴

(華晉焦煤有限責任公司 沙曲一號煤礦，山西 呂梁 033300)

我國眾多礦區使用留窄煤柱綜放沿空掘巷技術，其中留設合理寬度的煤柱是確保厚煤層沿空掘巷工作面順利、安全回采的關鍵[1-3].厚煤層沿空掘巷煤柱的主要作用：隔絕采空區、承擔上覆巖層的載荷。當煤柱寬度過小時，在上覆載荷作用下可能會直接發生破壞；當煤柱寬度過大時，煤柱可能受到側向支承壓力峰值的影響，引起較大的變形使其穩定性降低。由于各煤礦之間的地質條件、煤層厚度、煤的性質等因素的影響，使得煤柱合理寬度的界限有很大的局限性[4,5].國內外學者對沿空掘巷進行了大量的工程研究，以尋找沿空掘巷煤柱留設寬度合理的統一界限[6,7].本文在理論計算的基礎上，應用FLAC3D進行數值模擬對沙曲一礦4305膠帶巷合理煤柱寬度進行分析研究，以確保工作面安全高效開采。

1 工程概況

沙曲一礦4305工作面位于+400 m水平，三采區，北面為4306工作面采空區，東距賀昌煤業有限公司礦界50 m，南部為未采區，西側為原4305采空區。地面標高867～1 002 m，工作面標高557.4～604.4 m.煤層厚度為3.9～4.2 m，工作面采高為3.8 m.4305工作面膠帶巷位于原4305采空區以里，設計該巷道沿4306工作面采空區邊緣掘進。工作面傾向布置，走向長度174 m，傾向可采平均長度396 m.工作面位置圖見圖1.

圖1 4305膠帶巷平面位置圖

2 4305膠帶巷護巷煤柱寬度計算

巷道塑性區計算模型見圖2，塑性區寬度(應力極限平衡區寬度)R為:

圖2 巷道塑性區計算模型圖

(1)

式中：

m—工作面采高，m，取3.8；

λ—側壓系數，取0.4；

φ0—煤體內摩擦角，(°)，取29；

k—應力集中系數，取2.5；

C0—煤體黏聚力，MPa，取1.5；

γ—上覆巖層平容重，kN/m3，取0.025；

H—開采深度，m，取350；

Px—巷道支架對煤幫的支護強度，MPa，取0.1.

根據極限平衡理論,求得工作面周邊煤體塑性區寬度R0為：

(2)

式中：

M—煤層開采厚度，m，取4.2；

k—回采引起的應力集中系數，取3.5.

將各參數分別代入式(1)和式(2)，計算得：R=2.9 m，R0=3.8 m.

Y=aR0+dR

(3)

式中：

a—掘進影響系數，取1.2；

d—開采影響系數，取1.1.

計算得4305工作面護巷煤柱最小寬度為：Y=7.8 m.

通過極限平衡等相關理論計算，得到采空區側和巷道側煤柱塑性區寬度的取值范圍，保證巷道圍巖穩定，煤柱中間必須具有一定承載能力，煤柱中間穩定區域的寬度為塑性區寬度的50%.綜合以上條件，確定煤柱的寬度為8 m.

3 數值模擬優化

3.1 計算模型及參數的確定

根據4305工作面實際地質條件，建立模型尺寸420 m×200 m×160 m，單元總數為457 760.數值模型見圖3.模型上邊界施加邊界載荷p=10 MPa以模擬上覆巖層自重，模型另外3個邊界均為位移約束。巷道圍巖及煤體各參數見表1.

圖3 數值模型示意圖

表1 巖層物理力學參數表

3.2 數值模擬分析

3.2.1掘進階段不同煤柱寬度巷道應力場分布

4306工作面開采后在工作面兩側形成應力集中區，受應力集中區影響，留設合理的區段煤柱寬度對4305工作面掘進和回采階段控制巷道變形和破壞具有重要的意義。基于數值計算分析煤柱寬度效應，巷道支護采用原支護設計，4305膠帶巷掘進期間豎向應力分布圖見圖4.

圖4 掘進階段巷道區域豎向應力分布圖

由圖4可知，煤柱應力集中程度隨著煤柱寬度逐漸減小而增大，峰值系數由1.3增大至2.11，峰值區域不斷向巷道位置靠攏，對巷道造成擠壓。其中煤柱寬度5 m，煤柱應力峰值距巷道左幫2 m；煤柱寬度8 m，應力峰值距巷道左幫5 m；煤柱寬度15 m，應力峰值集中在4306采空區一側。

3.2.2回采階段不同煤柱寬度巷道應力場分布

4305工作面開采時工作面前方以及工作面兩側形成應力集中區，受應力集中區域的影響，巷道發生變形和破壞，分析工作面回采時超前巷道區域應力，4305膠帶巷回采期間豎向應力分布圖見圖5.

圖5 回采階段巷道區域豎向應力分布圖

由圖5可知，煤柱應力集中程度隨著煤柱寬度逐漸減小而增大，峰值系數由1.53增大至2.49，峰值區域不斷靠近巷道位置，對巷道造成擠壓。其中煤柱寬度5 m，巷道應力峰值距巷道左幫2 m；煤柱寬度8 m和15 m，巷道應力峰值距巷道左幫5 m.巷道回采過程中煤柱寬度越小，受到的應力集中影響越明顯，但是在煤柱8 m時應力集中系數及范圍和煤柱15 m相比較，變化較小，應力集中系數分別為1.8和1.5，峰值位置靠近4305工作面。

綜合考慮，4305工作面沿空掘巷選用8 m煤柱較為合理，可以有效控制巷道變形，在確保工作面安全回采的同時降低煤炭資源的浪費，以提高煤炭資源回收率。

4 現場礦壓觀測及分析

4.1 掘進期間煤柱內應力變化規律分析

巷道掘進期間設置煤柱應力監測站，利用鉆孔應力分別監測深度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m位置的應力變化。各深度處煤柱初始與穩定時的應力見表2.

表2 測站煤柱應力變化情況表

由表2可知，5 m、6 m區域為煤柱內的應力集中區域，在巷道掘進期間煤體內的應力變化不大，說明巷道掘進對煤柱的擾動較小。

4.2 煤柱回采支承壓力監測結果分析

巷道回采期間布置測站距切眼10 m.該測站布置6個測點，分別為1—6號，對應埋深分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m.4305工作面膠帶巷鉆孔應力變化曲線見圖6.

圖6 鉆孔應力變化曲線圖

各測點位置監測結果可知，測點值變化幅度較小，總體呈下降趨勢，最大應力值小于3 MPa.可認為選用8 m煤柱并采用合理支護形式的條件下可以有效控制巷道圍巖變形保障安全回采。

5 結 論

1)利用彈塑性理論推導煤柱破壞塑性區寬度公式，并結合煤柱穩定條件確定煤柱寬度至少為7.8 m.綜合各條件，確定煤柱的寬度為8 m.

2)運用FLAC3D數值模擬軟件，分析4305工作面與4306采空區留設5 m、8 m、15 m煤柱對應工作面巷道掘進及回采期的垂直應力分布可得：煤柱區域應力隨煤柱變窄而增大，回采階段留設的5 m煤柱完全破壞；留設煤柱寬度8 m，煤柱受力較為均衡，巷道變形量得到有效控制，為提高煤炭資源的回收利用，4305工作面沿空掘巷選用8 m煤柱。

3)對煤柱壓力進行現場監測，分析監測結果可知測點值變化幅度較小，總體呈下降趨勢，最大應力值小于3 MPa.可認為選用8 m煤柱并采用合理支護形式的條件下可以有效控制巷道圍巖變形保障安全回采。