孤島工作面沿空掘巷煤柱合理寬度探討

趙振宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 山西 大同 037000）

0 引言

沿空掘巷指沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)的巷道，不僅能提高煤炭回采率，還使巷道處于低應(yīng)力區(qū)，巷道圍壓小，易維護(hù)。為了孤島工作面安全高效開采，合理確定留設(shè)煤柱寬度至關(guān)重要。近年來，不少科研學(xué)者也針對孤島工作面留設(shè)的煤柱寬度開展了深入研究。趙寧[1-4]等采用數(shù)值計(jì)算分析，確定了合理的窄煤柱寬度為：軟煤4 m～5 m，中硬煤3 m～4 m；姚博[5]構(gòu)建了沿空掘巷力學(xué)模型，得出護(hù)巷窄煤柱合理寬度為4.46 m～7.3 m。8306工作面屬于厚煤層頂板堅(jiān)硬，采場上覆巖層活動(dòng)劇烈、內(nèi)部應(yīng)力集中程度高、礦壓顯現(xiàn)程度大，針對8304工作面回采結(jié)束后，8306工作面面臨孤島工作面的問題分析煤柱合理留設(shè)寬度，對于確保作業(yè)面的安全開采具有重要意義。

1 工程概況

王坪煤礦現(xiàn)開采8#煤層，平均埋深275 m，平均厚度5.9 m，容重1.4 t/m3，傾角為2°～3°，硬度2，不含夾矸，煤層賦存穩(wěn)定，整體構(gòu)造簡單，屬于全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤層直接頂為砂泥巖，老頂為砂巖，直接底為黏土泥巖，老底為高嶺巖。

8306 工作面位于303 盤區(qū)的北部，工作面北部為已經(jīng)回采的8308工作面，南部為待采的8304工作面，西部為303盤區(qū)回風(fēng)巷、軌道巷和皮帶巷，東部為小峪南石門大巷。采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采的采煤方法，頂板管理采用自然垮落法。

2 孤島工作面沿空掘巷合理煤柱寬度

2.1 區(qū)段煤柱寬度的理論計(jì)算

煤柱在受到回采影響之后，是否穩(wěn)定主要取決于煤體本身的極限支承壓力和采動(dòng)時(shí)所引起的支承壓力，而對煤柱極限支撐力影響的最主要因素是煤柱寬度以及其高度與寬度之間的比例，巷道的圍巖變形以及煤柱的可靠性也受其影響。煤體采出后，回采空間和采準(zhǔn)巷道在護(hù)巷煤柱兩側(cè)都會(huì)產(chǎn)生各自的塑性變形區(qū)，但在煤柱中心仍保持彈性應(yīng)力的平衡狀態(tài)，煤柱保持穩(wěn)定性的最小寬度：

式中：B為護(hù)巷煤柱寬度；x0為塑性區(qū)極限平衡寬度；x1為錨桿的有效錨固長度，取0.6 m；x2是設(shè)計(jì)安全系數(shù)對應(yīng)寬度，其中x2=0.15～0.35(x0+x1)m。

基于極限平衡理論，通過充分考慮煤層賦存傾角和深度的影響，提出了煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算的力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型

塑性區(qū)極限平衡寬度見式（2）。

式中：x0為塑性區(qū)極限平衡寬度，m；kd為煤礦開采擾動(dòng)寬度系數(shù)；M為上區(qū)段巷道的平均高度；Px為窄煤柱所受到的采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力；α為煤層傾角；σyl為煤柱的極限強(qiáng)度；β為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)，與泊松比取值相關(guān)為泊松比取值0.17；φ0為煤體摩擦角；C0為煤層接觸面粘聚力；γ0為煤體平均體積力。

根據(jù)王坪煤礦8306 工作面具體地質(zhì)賦存條件及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，見表1，計(jì)算得出工作面煤柱塑性區(qū)寬度為1.32 m。

表1 8306工作面8#煤層力學(xué)特性參數(shù)

然后進(jìn)一步代人公式（1），x1取0.6 m，x2=0.15～0.35(x0+x1)m=0.29～0.67(m)，可以得到8306工作面沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度為B≥2.21 m。

2.2 煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

針對該礦8#煤層開采的地質(zhì)要求，采用FLAC3D數(shù)值軟件構(gòu)建了沿空掘巷計(jì)算模型。其模型尺寸500 m×216 m，共劃分61 000 個(gè)網(wǎng)格，邊界條件設(shè)置為：側(cè)向限制水平移動(dòng)，底部固定，頂部施加2.5 MPa的垂直應(yīng)力，以模擬上覆巖層自重。沿作業(yè)面右側(cè)煤層設(shè)置一條監(jiān)測線用于監(jiān)測側(cè)向支承壓力的大小，其邊界條件及測線布置如下圖2所示。

圖2 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型

數(shù)值計(jì)算首先對8308工作面進(jìn)行回采，其回采穩(wěn)定后的應(yīng)力云圖、塑性分布及側(cè)向支承壓力變化如下所示。

由圖3圖4可發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算平衡之后，在采空區(qū)兩側(cè)相應(yīng)距離上發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在采空區(qū)邊緣8 m～9 m 區(qū)域內(nèi)還產(chǎn)生了塑性區(qū)，在此范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力要低于原巖應(yīng)力。將巷道盡可能地布設(shè)在應(yīng)力環(huán)境降低區(qū)范圍內(nèi)，將會(huì)有效改善巷道的應(yīng)力環(huán)境。

圖3 垂直應(yīng)力分布云圖

圖4 塑性區(qū)范圍分布圖

由圖5可看出，側(cè)向支承壓力在70 m后趨于穩(wěn)定，低于此處的應(yīng)力為應(yīng)力降低區(qū)范圍，高于此處的應(yīng)力范圍為應(yīng)力升高區(qū)。因此，在8308工作面采空區(qū)穩(wěn)定后所形成的應(yīng)力降低區(qū)范圍約為7 m。應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距采空區(qū)邊緣約14 m 的位置，應(yīng)力峰值大小約為22.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.93。

圖5 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖

綜上所述，沿空掘巷應(yīng)布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)，但由于布設(shè)在原巖應(yīng)力區(qū)段煤柱浪費(fèi)較大，因此沿空掘巷應(yīng)布置在距上區(qū)段采空區(qū)0 m～7 m區(qū)域。

3 合理煤柱寬度的確定

綜合理論分析得出的王坪煤礦8306 孤島工作面窄煤柱寬度2.21 m～2.59 m、數(shù)值計(jì)算得出的采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)寬度為0 m～7 m，并考慮2306 巷設(shè)計(jì)寬度為5.5 m，為盡量使得沿空掘巷巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，提高煤炭資源回收率，同時(shí)考慮到礦上的實(shí)際情況，最終確定8306孤島工作面的最小煤柱寬度為3 m。

4 結(jié)語

通過采取理論計(jì)算和數(shù)值分析2種方法對孤島工作面小煤柱留設(shè)參數(shù)的分析，結(jié)合巷道設(shè)計(jì)寬度及礦上實(shí)際情況，最終確定煤柱寬度為3 m。