茂華萬(wàn)通源煤礦輔助巷道煤柱留設(shè)技術(shù)研究

李錦波，趙麗娟，毛晨東，高占彬

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037003)

根據(jù)我國(guó)礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)礦井對(duì)巷道采用留煤柱護(hù)巷技術(shù)居多。因?yàn)橹白o(hù)巷煤柱技術(shù)的不成熟，過(guò)去留設(shè)的煤柱不太合理，損失了大部分可采的煤炭資源，所以需要改良留巷工藝技術(shù)，確定合理煤柱寬度尺寸[1-5]。各國(guó)的礦井生產(chǎn)實(shí)踐都有其推行的方法，澳大利亞主要運(yùn)用的是條帶開采中留設(shè)煤柱，我國(guó)的陳炎光、陸士良教授[6]認(rèn)為煤柱的寬度應(yīng)大于相鄰工作面開采在采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度、巷道開采形成的塑性區(qū)寬度和煤柱中間的彈性區(qū)寬度之和。借鑒現(xiàn)有的留設(shè)煤柱工藝，采用理論計(jì)算分析和FLACK 數(shù)植模擬的方法，確定煤柱的合理寬度范圍。

1 工作面概況

山西茂華萬(wàn)通源煤礦401 采區(qū)綜采工作面所在煤層為4#煤層。工作面走向長(zhǎng)度1 110～1 370 m，傾斜長(zhǎng)200～230 m，煤層平均厚度10.85 m，設(shè)計(jì)采高3.5 m，容重1.42 t/m3。401 采區(qū)總體呈平緩的單斜構(gòu)造，在工作面順槽掘進(jìn)過(guò)程中，該工作面未曾發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造，煤層開采可以順利進(jìn)行。工作面水文地質(zhì)條件良好。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性和變形破壞分析

采動(dòng)影響改變了巷道的受力狀態(tài)，并且使得反彈和壓縮兩種現(xiàn)象交替出現(xiàn)形成移動(dòng)支撐力[7]，成為回采巷道圍巖變形和破壞的主要原因。工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)及支承壓力分布，見圖1。

圖1 老頂巖層斷裂后側(cè)向支承壓力分布示意圖

巷道圍巖破壞的主要原因：巷道開掘位置和尺寸設(shè)計(jì)沒(méi)有依據(jù)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和工作面支撐壓力的條件下進(jìn)行理論計(jì)算，盲目依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3 煤柱合理寬度的計(jì)算

3.1 極限平衡計(jì)算法

按照煤巷兩幫煤體應(yīng)力分布規(guī)律和極限平衡理論，依據(jù)圖2 的計(jì)算模型，參考礦井實(shí)測(cè)相關(guān)參數(shù)，合理的最小護(hù)巷煤柱寬度B為：

圖2 合理煤柱計(jì)算寬度簡(jiǎn)圖

上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度X1為：

401采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103工作面運(yùn)輸巷之間煤柱合理寬度計(jì)算相關(guān)參數(shù)為：巷道高度m＝4.5 m；側(cè)壓系數(shù)A＝0.5；煤體內(nèi)摩擦角φ＝30°；煤體粘聚力C0＝3 MPa；應(yīng)力集中系數(shù)k＝3；巷道埋藏深度H＝267.75 m；巖層平均密度ρ＝2.5 t/m3；錨桿對(duì)煤幫的支護(hù)阻力P0＝0.1 MPa；錨桿錨入煤柱的深度X2＝2.0 m；安全系數(shù)X3＝(0.15～0.35)(X1+X2)＝0.75～1.75 m。

合理的護(hù)巷煤柱寬度為：

B=X1+X2+X3=12.54～14.72（m）。

根據(jù)以上討論及計(jì)算，輔助回風(fēng)巷和機(jī)軌合一之間合理煤柱尺寸為5.75～6.75 m。為安全考慮，取煤柱尺寸不小于7.0 m。

3.2 載荷估算法

載荷估算法認(rèn)為煤柱承受的載荷來(lái)源于兩部分：一是煤柱寬度對(duì)應(yīng)的上覆巖層的重量；二是一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)沿傾斜長(zhǎng)度方向?qū)?yīng)的上覆巖層寬度。計(jì)算模型，見圖3。

圖3 煤柱載荷計(jì)算示意圖

煤柱受到上覆巖層作用的總載荷為：

式中：B 為煤柱寬度,m；D 為采空區(qū)寬度，取200 m；H為巷道埋藏深度，取267.75 m；φ 為巖層自然垮落角；ρ為巖層平均密度，取2.5 t/m3。

單位寬度上平均應(yīng)力為：

煤柱極限強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：h 為煤柱高度，m；RC為煤體單軸抗壓強(qiáng)度值，取30 MPa。

煤柱穩(wěn)定條件是：?y≤R。

綜合式（3）、（4）、（5）可得煤柱合理寬度載荷估算解B≥16.8 m。取采空區(qū)寬度D＝6.7 m，可得煤柱合理寬度載荷估算解B≥7.5 m。

4 煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬

模型模擬幾何尺寸：X×Y×Z=500 m×500 m×60 m；模型邊界條件：不同寬度煤柱下巷道圍巖變形與破壞數(shù)值模擬型在前、后、左、右及下部均為固定邊界，沒(méi)有水平位移，即SX=SY=0。在模型上部施加垂直應(yīng)力，應(yīng)力大小P=(埋深－模型的高度)×平均容重=(267－60)×2.5/100=5.175 MPa。本次計(jì)算共設(shè)計(jì)3個(gè)計(jì)算模型。對(duì)于煤體—小煤柱巷道分別模擬寬度為10、15、20 m 時(shí)巷道圍巖及煤柱的破壞情況[8-9]。

首先開采上區(qū)段工作面，然后根據(jù)煤柱的大小確定沿空巷道開挖的位置，之后開采下區(qū)段工作面。由此模擬沿空巷道圍巖變形與破壞規(guī)律，并確定合理煤柱尺。建立模型，見圖4。

圖4 數(shù)值模擬模型

數(shù)值模擬結(jié)果分析得小煤柱寬度的不同下其圍巖主應(yīng)力分布有所不同，見圖5。由圖5 可知：當(dāng)401輔助回風(fēng)巷與40103 采空區(qū)之間煤柱寬度為10 m時(shí)，巷道右側(cè)頂、底板受力最大，因回采干擾，距離采空區(qū)5 m 處，表現(xiàn)出應(yīng)力集中，并且大小主應(yīng)力相差極大。煤柱寬10 m與15 m應(yīng)力應(yīng)變基本一致。隨著煤柱寬度進(jìn)一步加大，巷道離高應(yīng)力區(qū)越來(lái)越遠(yuǎn)。煤柱寬度為20 m 時(shí)，巷道離開高應(yīng)力區(qū)，處在應(yīng)力降低區(qū)域，此時(shí)巷道頂、底板受力明顯變小，巷道變形量小，巷道支護(hù)相對(duì)容易且維護(hù)簡(jiǎn)單。

圖5 圍巖應(yīng)力分布

沿空掘巷巷道圍巖側(cè)向塑性區(qū)擴(kuò)展與煤柱寬度關(guān)系，見圖6。

由圖6 可知：當(dāng)煤柱寬度為10 m 時(shí)，401 輔助回風(fēng)巷完全處于塑性破壞態(tài)，機(jī)軌合一巷約有70%左右處塑性破壞狀態(tài)，煤柱絕大部分處于塑性或塑性破壞態(tài)。煤柱寬度為15 m 時(shí)，機(jī)軌合一巷脫離塑性區(qū)破壞，基本進(jìn)入應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)。但是401輔助回風(fēng)巷底板和左右?guī)瓦€處在塑性破壞區(qū)域。當(dāng)煤柱寬度為20 m 時(shí)，巷道底板圍巖破壞程度減輕，401 輔助回風(fēng)巷左幫還處在塑性破壞區(qū)域，對(duì)整體影響較小。

圖6 塑性區(qū)破壞

5 結(jié)論

（1）通過(guò)理論研究與計(jì)算，確定了401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103 工作面運(yùn)輸巷之間煤柱安全寬度不小于17.0 m，輔助回風(fēng)巷和機(jī)軌合一巷之間煤柱安全寬度不小于8.0 m；

（2）通過(guò)對(duì)比分析，確定401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103 工作面運(yùn)輸巷之間留設(shè)20 m 煤柱以及401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷和機(jī)軌合一巷之間留設(shè)10 m煤柱。

（3）遇構(gòu)造異常區(qū)域、壓力異常區(qū)域，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)采區(qū)巷道支護(hù)，加強(qiáng)巷道頂板離層監(jiān)測(cè)。