蔣家河煤礦沿空掘巷煤柱留設(shè)研究

許 博，李國(guó)平，楊 博

(彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

目前，我國(guó)國(guó)有大型煤礦的資源采出率在60%以上，單位煤炭資源采出消耗大，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，綜放開(kāi)采放頂煤工藝造成的煤炭損失占采區(qū)總煤損失的44%，居第1位，其次是區(qū)段煤柱損失占33%。因此，減小區(qū)段煤柱寬度，實(shí)行小煤柱沿空掘巷或無(wú)煤柱沿空留巷將是提高煤炭采出率的主要技術(shù)途徑，而隨著煤柱寬度的增大，工作面采出率呈線性減小。沿空留巷在服務(wù)期間，一般情況下受到二次動(dòng)壓影響且時(shí)間較長(zhǎng)，造成巷道頂板、兩幫變形嚴(yán)重、巷道維護(hù)難度大；而沿空掘巷一般采用3～10 m小煤柱護(hù)巷，其服務(wù)期間僅受一次動(dòng)壓影響，時(shí)間較短，巷道易維護(hù)。因此，采用小煤柱沿空掘巷是滿足科學(xué)采礦要求的高回收的煤炭采出技術(shù)之一。

1 蔣家河煤礦基本概況

蔣家河井田位于彬長(zhǎng)礦區(qū)南緣，陜西省中西部，行政區(qū)劃隸屬于咸陽(yáng)市彬州車(chē)家莊、底店鄉(xiāng)及水口鎮(zhèn)管轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°53′30″～107°59′00″，北緯35°59′15″～36°02′00″。北與大佛寺井田相鄰，東、西、南以零煤線為界。東西長(zhǎng)7.2 km，南北寬4.7 km，井田面積22.262 7 km2。現(xiàn)有地質(zhì)儲(chǔ)量69.73 Mt，可采儲(chǔ)量29.74 Mt。礦井生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，剩余服務(wù)年限25.4 a。礦井采用立井單水平開(kāi)拓，開(kāi)采水平標(biāo)高為+667 m。井田布置主立井、副立井、閻家河進(jìn)風(fēng)斜井及回風(fēng)立井共4條井筒；礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝。礦井為高瓦斯礦井，主采4號(hào)煤層為Ⅱ類(lèi)自燃煤層，煤塵具有爆炸性，水文地質(zhì)類(lèi)型為中等型，4號(hào)煤及頂、底板均有弱沖擊傾向性。當(dāng)前，蔣家河煤礦正在回采ZF211工作面，計(jì)劃緊鄰ZF213備用工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)下一工作面回風(fēng)巷，為提高資源采出率并緩解采掘接替緊張的局面，計(jì)劃在ZF215工作面回風(fēng)巷試驗(yàn)小煤柱沿空掘巷。

2 工作面沿空掘巷動(dòng)態(tài)分析

迎采動(dòng)工作面沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采引起的強(qiáng)動(dòng)壓作用下，沿不穩(wěn)定采空區(qū)邊緣與回采工作面掘進(jìn)，巷道經(jīng)歷上覆巖層關(guān)鍵塊斷裂、回轉(zhuǎn)、下沉、穩(wěn)定全過(guò)程的影響，需要綜合考慮煤柱留設(shè)、上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)的破壞以及強(qiáng)動(dòng)壓作用下煤柱的穩(wěn)定性等問(wèn)題，維護(hù)難度極大，完全不同于普通穩(wěn)定采空區(qū)留小煤柱沿空掘巷，需要維持巷道淺部支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

柏建彪等[1]針對(duì)綜放沿空掘巷圍巖大小結(jié)構(gòu)，探討分析了巷道圍巖變形的基本規(guī)律，研究了巷道的圍巖應(yīng)力特征和影響圍巖變形的力學(xué)特性，建立了上覆巖層大結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型。

煤層在開(kāi)采過(guò)程中破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡穩(wěn)定性，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。對(duì)于受采動(dòng)影響的巷道，其維修維護(hù)狀況除受巷道所處位置的自然因素影響以外，還受制于采動(dòng)影響。巷道在掘巷前、掘巷期間及工作面回采期間的穩(wěn)定性分析如下。

沿空掘巷前，在下移量一定的前提下，塊體B下方的矸石和采空區(qū)側(cè)煤體將對(duì)其形成穩(wěn)定的支承作用；同時(shí)，該塊體還將受到相鄰塊體A、C的夾持，則此時(shí)弧形三角塊B是穩(wěn)定的。根據(jù)以上對(duì)弧形三角塊B的穩(wěn)定性分析，認(rèn)為沿空掘巷前該塊體是穩(wěn)定的，同時(shí)也說(shuō)明在沿空掘巷前，上覆巖層大結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。如圖1所示。

圖1 沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)分析模型

沿空掘巷時(shí)，及時(shí)采取一定的支護(hù)措施，巷道上覆煤巖體大結(jié)構(gòu)基本不會(huì)受到影響，可以有效控制巷道在掘進(jìn)期間的圍巖變形量，并減小巷道在掘后穩(wěn)定期間因圍巖蠕變產(chǎn)生的變形。依據(jù)上述對(duì)沿空掘巷在掘巷前后的上覆巖層大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，認(rèn)為在該條件下完全可以采用錨桿支護(hù)來(lái)維護(hù)巷道，確保巷道穩(wěn)定。

本工作面采動(dòng)在影響期間，巷道上覆巖層大結(jié)構(gòu)不會(huì)有較大的垮落現(xiàn)象發(fā)生，但會(huì)存在一定程度的下沉變形，因此保持巷道圍巖的穩(wěn)定性，不僅要適應(yīng)上覆巖層的下沉，還應(yīng)采取錨桿支護(hù)和其他支護(hù)措施，使巷道圍巖結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，保障巷道在回采期間的正常使用。

3 煤柱合理寬度位置的選擇

基本頂在工作面?zhèn)认虻钠茢辔恢茫磦?cè)向彈塑性分界位置，決定了煤柱寬度大小的選擇。

如圖2所示，在ZF213工作面回采期間，在工作面?zhèn)认蛐纬闪似扑閰^(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力峰值地域合理選擇沿空巷道的位置，當(dāng)煤柱處在Zone No.1(破碎區(qū))區(qū)域時(shí)，其完全處于側(cè)向大結(jié)構(gòu)保護(hù)下，煤柱處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)，無(wú)穩(wěn)定的承載區(qū)域，在先后2次動(dòng)壓影響下，流變變形量較大，除此之外此區(qū)域煤體完全破碎，不利于錨桿、錨索等錨固效果發(fā)揮，控制難度較大。

Zone No.1-破碎區(qū)；Zone No.2-塑性區(qū)；Zone No.3-彈性區(qū)；Zone No.4-原巖應(yīng)力區(qū)

如果煤柱寬度較大，部分煤柱就會(huì)處于 Zone No.3(彈性區(qū))區(qū)域，煤柱在2次動(dòng)壓影響作用下，在煤柱的中部便會(huì)形成高應(yīng)力集中區(qū)。如圖3所示，在高應(yīng)力作用下，煤柱彈性部分需經(jīng)歷彈性-塑性的變化過(guò)程，承載能力減小，集中應(yīng)力向巷道及周邊圍巖轉(zhuǎn)移，造成巷道變形量較大。

Ⅰ-破碎區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)

寬煤柱護(hù)巷時(shí)，煤柱內(nèi)存在 Zone No.4(原巖應(yīng)力區(qū))時(shí)，如圖4所示，巷道基本不受相鄰工作面回采期間采動(dòng)壓的影響，巷道維護(hù)狀況比較好，變形量相對(duì)而言比較小，但護(hù)巷煤柱寬度一般達(dá)到了20～25 m，煤炭損失量較大，采區(qū)采出率低，造成資源浪費(fèi)明顯。

Ⅰ-破碎區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)

因此，合理的煤柱寬度設(shè)計(jì)應(yīng)使煤柱處于塑性區(qū)和破碎區(qū)，煤柱內(nèi)存在大于原巖應(yīng)力的穩(wěn)定承載區(qū)，并且煤柱整體受力不大，無(wú)明顯的應(yīng)力集中區(qū)，但穩(wěn)定承載區(qū)域又不能太小，避免巷道變形量過(guò)大，同時(shí)須控制與應(yīng)力峰值位置距離，避免高應(yīng)力集中。

4 煤柱合理寬度設(shè)計(jì)與分析

4.1 傳統(tǒng)應(yīng)力極限平衡理論計(jì)算煤柱寬度范圍

依據(jù)傳統(tǒng)應(yīng)力極限平衡理論，結(jié)合侯朝炯提出的極限平衡區(qū)寬度計(jì)算式，給出煤柱合理寬度的理論計(jì)算值。

式中，x0為塑性區(qū)寬度，即煤體應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度,m；σz1，τxy為應(yīng)力極限平衡區(qū)內(nèi)煤體的垂直應(yīng)力、剪應(yīng)力,MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)；C0為滑移面的內(nèi)聚力；φ0為滑移面的內(nèi)摩擦角，取煤體強(qiáng)度的0.6倍；Kz為側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)；P為上覆巖層壓力,MPa；Px為煤幫支護(hù)阻力,MPa；α為煤層傾角,(°)。

依據(jù)蔣家河煤礦ZF215工作面回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，煤層厚度M為4.0 m，煤體的內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為42°、2.2 MPa，滑移面內(nèi)摩擦角φ0、粘聚力C0分別為24°、1.41 MPa，側(cè)壓系數(shù)λ為1.1；煤幫支護(hù)阻力Px為0.35 MPa；側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)Kz為3；上覆巖層壓力為12.5 MPa(平均埋深500 m)。經(jīng)計(jì)算求得極限平衡區(qū)(塑性區(qū))寬度x0為6.53 m，所以沿空掘巷時(shí)，合理的煤柱寬度范圍為B≤6.53 m。

結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮到采空區(qū)積水對(duì)煤柱強(qiáng)度的弱化、煤體強(qiáng)度不均等及堵漏風(fēng)的需求，合理的煤柱寬度B≥3.0 m，綜合考慮合理的煤柱寬度范圍應(yīng)為3 m≤B≤6 m。

4.2 煤柱合理寬度數(shù)值分析

采用數(shù)值分析法，通過(guò)研究3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m煤柱內(nèi)水平位移、垂直應(yīng)力分布規(guī)律、回采巷道的變形，分析煤柱的承載能力與穩(wěn)定性，確定煤柱合理寬度。

4.2.1 迎采動(dòng)煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況

為了確定合理的煤柱寬度，取煤柱中部巖層研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。

不同寬度煤柱垂直應(yīng)力變化規(guī)律：①在煤柱寬度從3 m增加到4 m的過(guò)程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本變化不大。煤柱寬度為3 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到27.2 MPa，煤柱寬度為4 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到26.8 MPa。煤柱基本進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，承載能力低，沒(méi)有承壓區(qū)或承壓區(qū)較小(煤體單軸抗壓強(qiáng)度27 MPa)，不利于錨桿錨固。②在煤柱寬度從4 m增加到7 m的過(guò)程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸增大。煤柱寬度為5 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到34.0 MPa，煤柱寬度為6 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到34.6 MPa，煤柱寬度為7 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到39.3 MPa。因此隨著煤柱寬度的增大，煤柱幫擁有一定的承載能力，其穩(wěn)定性在逐漸增強(qiáng)。③在煤柱寬度從7 m增加到10 m的過(guò)程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。煤柱寬度為8 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到38.6 MPa，煤柱寬度為9 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到37.1 MPa，煤柱寬度為10 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到36.6 MPa。

不同寬度煤柱垂直應(yīng)力的分布情況：在煤柱寬度從3 m增加至8 m的過(guò)程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線由近似三角狀變?yōu)轳劮鍫睢Ｃ褐鶎挾葹?～4 m時(shí)，煤柱大部分垂直應(yīng)力低于煤體的單軸抗壓強(qiáng)度(27 MPa)，煤柱的穩(wěn)定性極差；煤柱寬度為5～7 m時(shí)，煤柱存在垂直應(yīng)力集中區(qū)(高于煤體的單軸抗壓強(qiáng)度)；隨著煤柱寬度的逐漸增加，垂直應(yīng)力集中區(qū)范圍不斷增大，垂直應(yīng)力集中區(qū)即承壓區(qū)的存在，利于錨桿的錨固；另外，隨著煤柱寬度的不斷增加，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值位置逐漸遠(yuǎn)離巷道臨空區(qū)，基本位于煤柱中央位置。

綜上所述，煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最大，因此，煤柱寬度不宜小于5 m，沒(méi)有穩(wěn)定的承壓區(qū)，不利于錨桿錨固，應(yīng)小于7 m，降低煤柱的應(yīng)力集中程度，保證煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，合理的煤柱寬度為5～6 m。

4.2.2 迎采動(dòng)煤柱內(nèi)水平位移變化情況

取煤柱中部巖層研究煤柱內(nèi)水平位移場(chǎng)分布情況。在迎采動(dòng)期間，煤柱內(nèi)水平位移分布具有以下規(guī)律特征。

向巷道臨空方向水平位移：在煤柱寬度為3～4 m時(shí)，煤柱向巷道臨空方向的水平位移量隨煤柱寬度的增加出現(xiàn)增加；煤柱寬度為5～6 m時(shí)，煤柱向巷道臨空方向的水平位移隨煤柱寬度的增加基本不發(fā)生變化；煤柱寬度為7～10 m時(shí)，煤柱向巷道臨空方向的水平位移隨煤柱寬度的增加出現(xiàn)減小，其中在煤柱寬度為5 m時(shí)，其向巷道臨空方向水平位移最大，為1.62 m。

向采空區(qū)側(cè)水平位移：在煤柱寬度從3 m增加至5 m的過(guò)程中，煤柱向采空區(qū)側(cè)的水平位移增加速度較快；大于5 m后，煤柱向采空區(qū)側(cè)水平位移隨煤柱寬度的增加而逐步減小；其中煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)水平位移最大，為1.06 m。

窄煤柱內(nèi)水平位移分布：在煤柱為3～4 m時(shí)，煤柱中部位移急劇發(fā)生變化，基本無(wú)穩(wěn)定區(qū)域即近零區(qū)域；煤柱寬度大于 5m時(shí)，煤柱中部存在近零區(qū)域，但隨著煤柱寬度的增加而逐步增大。

因此，從煤柱穩(wěn)定的角度出發(fā)，煤柱內(nèi)應(yīng)存在近零區(qū)域，煤柱合理寬度應(yīng)大于4 m，煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)、巷道臨空方向位移均最大，穩(wěn)定性較差，合理的煤柱寬度應(yīng)大于5 m。

4.2.3 巷道變形情況

從不同寬度煤柱的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布規(guī)律特征來(lái)看，煤柱對(duì)巷道圍巖變形的影響隨著窄煤柱寬度變化而發(fā)生變化。為了進(jìn)一步確定煤柱寬度，對(duì)巷道圍巖變形量和煤柱寬度的關(guān)系進(jìn)行研究，不同寬度煤柱條件下巷道圍巖變形量詳見(jiàn)表1。

表1 不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形量

由表1可知，煤柱寬度對(duì)巷道圍巖變形量的影響如下。

頂板下沉量：巷道頂板下沉量隨著煤柱寬度的增加而不斷減小，基本呈現(xiàn)線性變化，其中在煤柱寬度為3 m時(shí)，頂板下沉量達(dá)到最大。

煤柱幫變形量：煤柱幫變形量隨著煤柱寬度的增加而出現(xiàn)極限值，其中在煤柱寬度5 m時(shí)煤柱幫變形量最大；因此煤柱寬度選擇應(yīng)大于5 m，以增強(qiáng)煤柱的穩(wěn)定性。

實(shí)體煤幫變形量：巷道實(shí)體煤幫變形量隨著煤柱寬度的逐步增加而不斷減小，基本呈現(xiàn)線性變化，其中在煤柱寬度為3 m時(shí)，實(shí)體煤幫的移近量達(dá)到最大。

因此，結(jié)合傳統(tǒng)極限平衡理論分析方法、數(shù)值分析方法，基本確定出了合理的煤柱寬度。

5 分析討論

通過(guò)傳統(tǒng)極限平衡理論求出了煤柱塑性區(qū)寬度，得出了煤柱寬度的合理取值范圍，確定出合理的煤柱寬度應(yīng)小于6.53 m，但綜合考慮到采空區(qū)積水對(duì)煤柱強(qiáng)度的弱化、煤體強(qiáng)度不均等及堵漏風(fēng)的需求，合理的煤柱寬度應(yīng)大于3.0 m，因此合理的煤柱寬度范圍確定為3～6 m。

基于數(shù)值分析法，煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最大，因此，煤柱寬度不宜小于5 m，沒(méi)有穩(wěn)定的承壓區(qū)，不利于錨桿錨固，應(yīng)小于7 m，降低煤柱的應(yīng)力集中程度，保證煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，合理的煤柱寬度為5～6 m；從煤柱穩(wěn)定性的方面考慮，煤柱內(nèi)須存在近零區(qū)域，煤柱合理寬度應(yīng)大于4 m，在煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)、巷道臨空方向位移均最大，穩(wěn)定性較差，因此合理的煤柱寬度應(yīng)大于5 m，最終確定煤柱寬度為6 m。

6 結(jié)論

迎采動(dòng)沿空掘巷技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，將留設(shè)25 m寬煤柱方案改為預(yù)留6 m寬煤柱，不僅提高了煤炭資源回收率，減小了掘進(jìn)工作面的局部防突工程，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了掘進(jìn)速度，促進(jìn)了礦井安全、高效生產(chǎn)的改革；同時(shí)有效地解決了單翼礦井開(kāi)采采掘接替緊張，局部地段頂板、巷道圍巖、底鼓變形量較大，巷道維護(hù)難度大等問(wèn)題，符合綠色礦山建設(shè)及科學(xué)采礦的要求。