胥克俊

(中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團(tuán)，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750000)

在煤礦開采過程中，根據(jù)地質(zhì)條件及回采要求，區(qū)段平巷的布置往往采用雙巷布置，并通過留設(shè)一定寬度的煤柱對(duì)兩條巷道進(jìn)行保護(hù)。目前，通過留設(shè)煤柱保護(hù)采準(zhǔn)巷道仍是我國許多煤礦采取的主要的護(hù)巷方法，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度是煤柱穩(wěn)定性和巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。由于各礦井地質(zhì)條件、水文條件和開采方法差異較大，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的取值以及確定方法也不盡相同。煤柱尺寸太小會(huì)使頂板難以支撐，使下區(qū)段回風(fēng)平巷圍巖發(fā)生較大的變形破壞，且可能導(dǎo)致上一個(gè)工作面回采后產(chǎn)生的采空區(qū)積水涌入，以及冒落矸石竄入下一工作面；區(qū)段煤柱寬度過大又會(huì)造成煤炭資源的損失過大，從安全生產(chǎn)和資源節(jié)約方面考慮都要求區(qū)段煤柱有合理的留設(shè)寬度。

目前我國許多礦區(qū)在緩傾斜和傾斜煤層條件下普遍采用經(jīng)驗(yàn)方法或工程類比方法確定煤柱留設(shè)寬度，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤柱支承壓力分布大小總結(jié)規(guī)律，及時(shí)調(diào)整煤柱寬度范圍，或者根據(jù)巖體的極限平衡理論來修正煤柱留設(shè)寬度。本文以紅一煤礦4＃煤層回采巷道區(qū)段煤柱為研究對(duì)象，借助UDEC數(shù)值計(jì)算手段，研究不同寬度下經(jīng)歷巷道掘進(jìn)階段和上區(qū)段工作面回采過程中煤柱和兩巷圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律，并將應(yīng)力集中系數(shù)作為煤柱穩(wěn)定性的一個(gè)重要依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

紅墩子礦區(qū)紅一煤礦位于寧夏回族自治區(qū)東部，隸屬銀川市興慶區(qū)管轄。根據(jù)煤層分布情況，其首采區(qū)主要可采煤層為4＃煤層和5＃煤層。4＃煤層115采區(qū)位于二疊系山西組 (Ps)，該地段以灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、黑色泥巖、黑色粉砂巖、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖為主，巖石硬度系數(shù)f＝2～4，為中等硬度，4＃煤層厚度大部分在1.3～2.0m之間，煤層傾角在15°～25°之間，屬緩傾斜煤層。研究對(duì)象為115采區(qū)內(nèi)1150401運(yùn)輸平巷和1150403回風(fēng)平巷之間的留設(shè)煤柱，回采巷道留設(shè)煤柱空間布置見圖1。

圖1 回采巷道留設(shè)煤柱空間布置圖

1150401工作面和1150403工作面之間采用雙巷布置方式進(jìn)行掘進(jìn)，之后進(jìn)行1150401工作面回采，因此，兩巷之間的煤柱是安全生產(chǎn)的重要保證。兩巷斷面形狀均為梯形，且沿4＃煤層頂板泥質(zhì)粉砂巖掘進(jìn)，巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)索＋鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)。

2 數(shù)值模型及模擬方案

2.1 模型建立

根據(jù)紅一煤礦地質(zhì)條件，按實(shí)際巖層情況1∶1建立沿巷道剖面方向的平面應(yīng)變模型。雙巷布置階段模型大小為100m×60m (長×高)，模型兩側(cè)面為滑動(dòng)簡支，底部固支，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

模型邊界上、下兩巷沿頂板泥質(zhì)粉砂巖掘進(jìn)，左側(cè)為1150401工作面，右側(cè)為1150403工作面，按煤巖體實(shí)際傾角17°建模，巖層性質(zhì)根據(jù)柱狀圖確定。整個(gè)模型在左、右及下部均為固定邊界，沒有水平位移，即Sx＝0，Sy＝0，為了計(jì)算準(zhǔn)確，更加符合實(shí)際條件，使z方向測(cè)壓系數(shù)為1.0，在模型上部施加垂直應(yīng)力為10.46MPa。模型力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。分析節(jié)理特性時(shí)考慮其受采動(dòng)影響，塊體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，節(jié)理采用摩爾—庫倫滑移本構(gòu)模型，巖層的塊度依據(jù)巖層厚度和采動(dòng)巖體特點(diǎn)進(jìn)行劃分。

2.2 模擬方案

根據(jù)全國回采實(shí)體煤巷道煤柱統(tǒng)計(jì)結(jié)果，83.6%以上的煤柱留設(shè)寬度都在5～30m之間，因此，本次設(shè)計(jì)選取典型的6種方案進(jìn)行模擬分析，制定區(qū)段煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬方案為5m，10m，15m，20m，25m和30m。

回采巷道從開掘到報(bào)廢，經(jīng)歷采動(dòng)引起的圍巖應(yīng)力重新分布過程，圍巖變形持續(xù)增長和變化。尤其是下區(qū)段1150403回風(fēng)平巷，受到二次采動(dòng)的影響，圍巖變形要經(jīng)歷巷道掘進(jìn)影響階段、掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段、采動(dòng)影響階段、采動(dòng)影響穩(wěn)定階段和二次采動(dòng)影響5個(gè)階段。因此，對(duì)區(qū)段煤柱寬度的研究從兩個(gè)方面進(jìn)行，即雙巷布置階段和1150401工作面回采階段。

3 掘進(jìn)期間區(qū)段煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

圍巖淺部應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于巷道整體穩(wěn)定性有著重要影響，因此在煤柱上方 (距煤柱上方0m)和距煤柱上方分別1m、2m、3m、4m分別布置5條應(yīng)力測(cè)線，從左到右編號(hào)依次為1～30，用來監(jiān)測(cè)頂板圍巖淺部應(yīng)力分布及變化規(guī)律。

表1 煤巖層模擬力學(xué)及節(jié)理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.1 應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)煤柱寬度的影響

應(yīng)力集中主要由雙巷布置及煤柱周圍的工作面回采引起，造成的應(yīng)力峰值與原巖應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力集中系數(shù)。通過上一節(jié)建立的UDEC數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)不同方案進(jìn)行模擬，得到不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，建立應(yīng)力集中系數(shù)與煤柱寬度之間的關(guān)系，將應(yīng)力集中系數(shù)作為一個(gè)影響因素來反映不同取值下煤柱的變化情況，如圖3所示，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)較小時(shí)，煤柱寬度的增加較慢，當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)超過一定值 (根據(jù)模擬值約為3)，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增加，煤柱所承受的應(yīng)力越來越大，必須增大煤柱的寬度來抵抗增加的應(yīng)力。

圖3 應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)煤柱寬度的影響

通過對(duì)不同應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算比較得出，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式。當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)由1.5增加到3時(shí)，煤柱寬度由4.2m增加到6m，增長率為1.4；而當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)由3增加到4.5時(shí)，煤柱寬度由6m增加到13m，增長率為2.3。所以可以將應(yīng)力集中系數(shù)視為影響煤柱寬度的敏感因素。

3.2 垂直應(yīng)力分析

運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷同時(shí)掘進(jìn)時(shí)，由于區(qū)段煤柱寬度的不同，應(yīng)力分布情況各異。選取距離頂板2m的應(yīng)力測(cè)線監(jiān)測(cè)煤柱的垂直應(yīng)力，不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力的分布情況如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布

由圖4可知，沿煤柱測(cè)線的垂直應(yīng)力以煤柱中心為對(duì)稱軸，兩邊基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，按照應(yīng)力變化趨勢(shì)可以分為兩個(gè)類型。

(1)當(dāng)煤柱＜15m時(shí)，屬于增高—降低類型。在這種類型下的煤柱，煤柱中心位置的垂直應(yīng)力最高，并且會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力核區(qū)域，煤柱長期處于塑性區(qū)域中，很容易發(fā)生破壞，不利于巷道維護(hù)。

(2)當(dāng)煤柱≥15m時(shí)，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。兩巷至煤柱內(nèi)3～5m為應(yīng)力急速增高區(qū)，在巷道左右兩側(cè)5～6m，屬于應(yīng)力最高區(qū)域，當(dāng)煤柱留設(shè)足夠?qū)挄r(shí)，煤柱中心位置應(yīng)力有所下降，基本屬于原巖應(yīng)力區(qū)域。此外，煤柱在這一范圍內(nèi)煤柱越窄，其上的應(yīng)力峰值越大，峰值作用的范圍也越大，這主要是此時(shí)煤柱破壞嚴(yán)重，煤體酥松，不能承受較高的應(yīng)力所致。當(dāng)煤柱寬度增加到20m以后，峰值逐漸趨于穩(wěn)定，大致在15MPa左右。

同時(shí)，通過比較模型頂板布置的6條應(yīng)力監(jiān)測(cè)線監(jiān)測(cè)應(yīng)力系數(shù)在不同編號(hào)處的數(shù)值，可清晰反映應(yīng)力集中及變化情況。留設(shè)煤柱寬度為5m時(shí)，測(cè)線的垂直應(yīng)力變化劇烈，沒有明顯規(guī)律，時(shí)而出現(xiàn)應(yīng)力系數(shù)2.0以上的煤柱區(qū)域；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度達(dá)到15m時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)開始趨于緩和，大都為1.2～1.5，但仍處于破壞較嚴(yán)重的區(qū)域；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度達(dá)到20m以上時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)基本平緩，在煤柱兩側(cè)5～6m，應(yīng)力集中系數(shù)區(qū)域1.3，煤柱的其余部位基本接近于原巖應(yīng)力。

通過垂直應(yīng)力分析，認(rèn)為15m是一個(gè)分界點(diǎn)，當(dāng)煤柱留設(shè)寬度＜15m時(shí)，煤柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力系數(shù)為2.0以上的應(yīng)力核區(qū)域，當(dāng)煤柱留設(shè)寬度≥15m時(shí)，應(yīng)力核區(qū)域逐漸消失，尤其是當(dāng)煤柱留設(shè)寬度≥20m以后，煤柱的穩(wěn)定性較好。

3.3 水平應(yīng)力分析

選取運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷同時(shí)掘進(jìn)時(shí)上下兩巷及煤柱的水平應(yīng)力云圖進(jìn)行對(duì)比分析，表明當(dāng)煤柱留設(shè)寬度為5m時(shí)，由于兩巷之間相互影響，水平應(yīng)力波動(dòng)很大，在煤柱中間同樣出現(xiàn)應(yīng)力核；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度為10m時(shí)，總體變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，但仍然出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度≥15m，水平應(yīng)力基本沒有變化且規(guī)律基本一致，不會(huì)因?yàn)槊褐粼O(shè)寬度不同而對(duì)水平應(yīng)力的重新分布造成太大影響。雙巷掘進(jìn)期間留設(shè)不同煤柱寬度時(shí)煤柱應(yīng)力特征見表2。

表2 留設(shè)不同煤柱寬度時(shí)的煤柱應(yīng)力特征數(shù)據(jù)

通過對(duì)掘進(jìn)期間煤柱和兩巷圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)根據(jù)煤柱上方圍巖淺部的應(yīng)力集中系數(shù)的變化規(guī)律，得出1150401工作面與1150403工作面的煤柱留設(shè)寬度初步定為15～20m。

4 工作面回采期間煤柱穩(wěn)定性研究

1150403回風(fēng)平巷屬于采前掘進(jìn)，即在上區(qū)段工作面回采前該巷道已經(jīng)布置完成，在布置時(shí)期，巷道及煤柱周邊圍巖內(nèi)原巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布，當(dāng)1150401工作面回采期間，由于受到工作面采動(dòng)影響，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況再次發(fā)生變化，側(cè)向支承壓力迅速增高。通過對(duì)不同寬度煤柱在回采期間應(yīng)力分布情況的數(shù)值模擬，得出煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力及應(yīng)力集中系數(shù)，可以對(duì)上一節(jié)提出的煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 上區(qū)段工作面回采后應(yīng)力匯總表

由表3可知，當(dāng)煤柱留設(shè)寬度大于10m時(shí)，側(cè)向支承壓力在20MPa以下，應(yīng)力集中系數(shù)在1.6以下，到煤柱留設(shè)寬度為20m時(shí)，側(cè)向支承壓力為15.5MPa，之后的側(cè)向支承壓力趨于平緩。將不同煤柱寬度的側(cè)向支承壓力進(jìn)行對(duì)比分析，得到回采期間煤柱寬度與側(cè)向支承壓力之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 煤柱寬度與側(cè)向支承壓力之間關(guān)系

由圖5可知，應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，其關(guān)系符合二次函數(shù)曲線，變化趨勢(shì)公式為:

由式 (1)可以看出，煤柱峰值在15～20m以后，應(yīng)力峰值幾乎不變，過大煤柱對(duì)于巷道維護(hù)作用很小，由此驗(yàn)證了上一節(jié)初步制定的煤柱留設(shè)寬度在15～20m之間是合理的。

5 結(jié)論

(1)通過分析應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)煤柱留設(shè)寬度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式，從而確定應(yīng)力集中系數(shù)為煤柱留設(shè)寬度敏感因素。

(2)通過對(duì)頂板淺部圍巖監(jiān)測(cè)可知，沿煤柱測(cè)線的垂直應(yīng)力以煤柱中心為對(duì)稱軸，兩邊基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，按照應(yīng)力變化趨勢(shì)可以分為如下兩個(gè)類型:當(dāng)煤柱＜15m時(shí)，屬于增高—降低類型；當(dāng)煤柱≥15m時(shí)，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。同時(shí)，在煤柱＞15m后，水平應(yīng)力基本沒有變化且規(guī)律基本一致。

(3)對(duì)上區(qū)段工作面回采時(shí)煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析可知，煤柱峰值在15～20m以后，應(yīng)力峰值幾乎不變，而過大煤柱對(duì)于巷道維護(hù)作用很小，從而最終確定合理的煤柱留設(shè)寬度為15～20m之間。

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