迎采巷道合理煤柱寬度留設(shè)研究

＊馮濤 景永嘉 彭亮

（1.山西汾西礦業(yè)集團(tuán)正新煤焦有限責(zé)任公司 山西 046512 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 江蘇 221116）

1.工程概況

山西汾西礦業(yè)集團(tuán)和善煤礦正在開采9+10#煤，原設(shè)計(jì)為沿空留巷，即9102工作面回采后，9102回風(fēng)順槽作為9103運(yùn)輸順槽，但受留巷工序復(fù)雜等生產(chǎn)因素影響，未留巷，造成9102工作面回采后采掘接替非常緊張。因此，在9102工作面回采過(guò)程中迎采掘進(jìn)9103運(yùn)輸順槽來(lái)緩解采掘接替緊張。9+10#煤層整體呈上山單斜構(gòu)造，埋深約185.36m，上距6#煤約55m，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層傾角為4°～10°，工作面采高2.15m，大部分地段頂板為石灰?guī)r，層位較穩(wěn)定且堅(jiān)硬，底板為泥巖，屬于穩(wěn)定類。

2.迎采巷道煤柱寬度理論計(jì)算

迎采巷道最容易發(fā)生失穩(wěn)的是迎頭后階段，所以本節(jié)重點(diǎn)研究迎頭后階段的煤柱上覆巖層結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)作用，為確定迎采巷道合理煤柱寬度提供理論依據(jù)[1-2]。

(1)煤柱承載結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

結(jié)合現(xiàn)有的資料，和善煤礦9+10#煤頂板的硬度和厚度較大，工作面回采后，上覆巖層隨之破斷，煤柱上方發(fā)生懸頂，上覆巖層載荷需要通過(guò)冒落區(qū)巖塊、煤柱等進(jìn)行承載在空間上形成“F”型懸臂梁結(jié)構(gòu)，煤柱及其上方頂板形成了“F”型覆巖空間結(jié)構(gòu)。

(2)煤柱的變形分區(qū)范圍

巷道圍巖應(yīng)力與煤柱寬度密切相關(guān)，影響著巷道的穩(wěn)定性。煤柱一側(cè)工作面回采過(guò)后，沿煤柱傾向形成的支承壓力分布狀態(tài)如圖1所示。圖中xF代表煤柱幫部支護(hù)阻力，MPa；M代表煤柱高度，m；yσ代表煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力，MPa；xσ代表水平應(yīng)力，MPa；τxy代表煤柱所受剪應(yīng)力，MPa；x1代表巷道幫部到煤柱極限強(qiáng)度位置的距離。可以采用彈性力學(xué)的方法，計(jì)算側(cè)向支承壓力的峰值位置。假設(shè)煤巖體是連續(xù)均質(zhì)的，煤體在發(fā)生剪切破壞時(shí)滿足摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，煤柱受力關(guān)于中性面對(duì)稱。求解側(cè)向支承壓力峰值位置過(guò)程如下：

圖1 煤柱支承壓力分布力學(xué)模型示意圖

圖2 巷道圍巖變形量曲線

圖3 運(yùn)輸順槽支護(hù)示意圖

根據(jù)和善煤礦9+10#煤工程條件，將參數(shù)帶入上式可得：煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力的峰值距離1x=8.7m。在側(cè)向支承壓力的作用下，煤柱變形分區(qū)為破裂區(qū)、塑性區(qū)、應(yīng)力升高彈性區(qū)、應(yīng)力平緩彈性區(qū)。

(3)合理煤柱寬度確定

合理的煤柱寬度是保證巷道穩(wěn)定性的主要因素。煤柱一側(cè)是采準(zhǔn)巷道，一側(cè)是回采空間，由于受到兩側(cè)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱載荷和上覆巖層載荷的影響，煤柱兩側(cè)形成了2個(gè)塑性變形區(qū)，寬度分別為x0和1x，同時(shí)為了保證煤柱的穩(wěn)定性，在煤柱中央應(yīng)存在寬度不小于煤柱高度2倍的彈性核。為此，保持煤柱穩(wěn)定的最小寬度：

式中，a為巷道半徑；C為內(nèi)聚力；?為摩擦角。依據(jù)和善煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，9103運(yùn)輸順槽寬度4.4m，則a=2.2m，可獲得0x和1x分別為4.87m和8.63m。可得煤柱寬度B≥4.9+2×2.2+8.7=18m。

3.迎采巷道煤圍巖分析

(1)巷道圍巖變形分析

根據(jù)巷道圍巖變形量，位移分布等值線，巷道圍巖變形量相關(guān)數(shù)據(jù)可知，巷道煤柱幫變形量較大，9m寬度下巷道煤柱幫變形量為238.3mm，20m寬度下則為39.1mm；底板變形量較小，9m寬度下底板變形量為42.7mm，20m寬度下則為15.7mm；20m寬度較9m寬度下實(shí)體煤幫位移量降低了46.1%。隨著煤柱寬度的增加，當(dāng)煤柱寬度大于9m時(shí)，圍巖變形量隨著煤柱寬度的增加明顯減小，圍巖變形趨勢(shì)逐漸降低。對(duì)于不同寬度的護(hù)巷煤柱，煤柱幫變形量最大，其次為實(shí)煤體幫側(cè)變形量，變形量最小為底板。

(2)巷道圍巖應(yīng)力分析

當(dāng)煤柱寬度從9m逐漸增大到20m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中降低，應(yīng)力分布由煤柱中心集中分布向兩端分布，巷道實(shí)煤體幫內(nèi)也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)煤柱寬度逐漸增大時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中從右側(cè)逐漸向左側(cè)集中。

在煤柱寬度為9～11m時(shí)，隨著與采空區(qū)邊緣距離的增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力總體呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，存在一個(gè)峰值拐點(diǎn)，垂直應(yīng)力由14.3MPa降低至12.5MPa；對(duì)于18～20m煤柱寬度，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，開始時(shí)先持續(xù)增加，在達(dá)到一定程度后應(yīng)力峰值基本維持在10.8MPa，后緩慢降低。

當(dāng)煤柱寬度為7m時(shí)，工作面回采后煤柱內(nèi)幾乎均為塑性區(qū)，僅存在較小區(qū)域的彈性區(qū)，頂板發(fā)生剪切破壞，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，可視為煤柱已受到不同程度的損傷，承載能力較弱，因此不是合理的煤柱寬度。當(dāng)煤柱寬度為11m時(shí)，煤柱內(nèi)部開始存在彈性區(qū)，并隨著煤柱寬度增加而逐漸擴(kuò)大，最終與煤柱上方彈性區(qū)貫通，巷道頂?shù)装寰艿嚼炱茐模瑑蓭褪艿郊羟衅茐摹．?dāng)煤柱寬度大于18m時(shí)，工作面回采后僅在巷道周圍存在較小的彈性區(qū)，其余均未受到剪切破壞。

4.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

(1)巷道支護(hù)方案及參數(shù)

結(jié)合和善煤礦9103運(yùn)輸順槽情況，頂板錨桿采用Φ20×L2000mm MG500高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，頂板錨桿間排距為800mm×800mm。頂板錨索采用多絲（1×19股）高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，錨索規(guī)格為：Φ21.8mm×L4500mm，每2排錨桿加強(qiáng)支護(hù)2根錨索。幫部錨桿采用Φ20mm×L2000mm MG500高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，幫部錨桿間排距為800mm×800mm。頂、幫之間網(wǎng)片采用對(duì)接方式，頂板、幫部高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿屈服強(qiáng)度大于500MPa，承載能力不小于250kN，扭矩力不小于300N·m。

(2)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

采動(dòng)應(yīng)力在煤礦生產(chǎn)中非常重要，特別在煤礦作業(yè)中，其容易帶來(lái)不同類型的動(dòng)力災(zāi)害，包括沖擊地壓、煤與瓦斯突出等，嚴(yán)重威脅著煤礦作業(yè)的安全。因此必須重視對(duì)采動(dòng)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)與分析，當(dāng)前在此領(lǐng)域的研究較多，已經(jīng)出現(xiàn)了多種類型的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法，本節(jié)結(jié)合9103運(yùn)輸順槽監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，明確20m煤柱寬度的留設(shè)效果。

針對(duì)9103運(yùn)輸順槽進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，本次研究中主要設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)站，分別表示為測(cè)站A、B，位置是在超前9012工作面150m處，其中前者的鉆孔深度依次是2m、4m、6m、8m，依次對(duì)應(yīng)著a、b、c、d應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)；后者的深度依次是3m、5m、7m、9m，依次對(duì)應(yīng)著e、f、g、h應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)；所有的間距均為1m，選擇振弦鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)，按操作說(shuō)明連接軟硬件進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

由于監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分鉆孔無(wú)法得到數(shù)據(jù)，這主要與應(yīng)力計(jì)的故障等因素有關(guān)。針對(duì)上述問題，對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整理，得到了有完整監(jiān)測(cè)周期的數(shù)據(jù)。得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 煤柱內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

由圖4可知，實(shí)煤體側(cè)、煤柱側(cè)應(yīng)力均受到9102工作面回采的影響而出現(xiàn)了變化，各個(gè)應(yīng)力計(jì)的變化程度不一，其中d在前7日內(nèi)保持了增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最大應(yīng)力達(dá)到了11MPa，而且增幅相對(duì)較大；但是此后則開始減小，特別是在7～15日內(nèi)，已經(jīng)降低到3.2MPa，降低幅度同樣較大；后續(xù)繼續(xù)增大，在15～27日時(shí)升高到9.2MPa，可以看到在這段時(shí)間內(nèi)總體表現(xiàn)為波動(dòng)變化的特征。g用于監(jiān)測(cè)實(shí)煤體幫部應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)到的最大應(yīng)力達(dá)到了5.3MPa，發(fā)現(xiàn)實(shí)煤體側(cè)應(yīng)力的波動(dòng)性較小，整體比較穩(wěn)定。另外，a、b、c主要對(duì)煤柱側(cè)幫監(jiān)測(cè)，總體保持了較高的穩(wěn)定性，未出現(xiàn)顯著的變化。可見，采用20m的煤柱內(nèi)部應(yīng)力總體穩(wěn)定，避免了應(yīng)力波動(dòng)過(guò)大而產(chǎn)生不利的影響，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

5.結(jié)語(yǔ)

結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)資料，運(yùn)用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)進(jìn)行分析，最終確定該礦9103運(yùn)輸順槽迎9102工作面掘巷留設(shè)煤柱寬度為20m。