王 康，來興平，2，郭俊兵，崔 峰，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省巖層控制重點實驗室，陜西 西安 710054；3.西山煤電集團(tuán)馬蘭煤礦，山西 古交 030205)

區(qū)段煤柱是指走向長壁工作面之間留設(shè)的保護(hù)煤柱，其主要作用是隔離采空區(qū)，維持下區(qū)段巷道的穩(wěn)定性[1-3]。合理的區(qū)段煤柱不僅能夠提高煤炭資源的采出率，還對工作面的安全生產(chǎn)有著重要的影響。對于區(qū)段煤柱留設(shè)的合理寬度，需要綜合考慮圍巖結(jié)構(gòu)特性、重復(fù)采動影響、基本頂破斷等諸多因素[4-6]。在綜放面區(qū)段煤柱留設(shè)合理寬度問題方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。王旭春等[7]通過分析煤柱在三向應(yīng)力狀態(tài)下的極限強(qiáng)度影響因素，給出了不受地質(zhì)采礦條件約束的煤柱計算公式；謝廣祥等[8，9]通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等方法，得出了綜放面區(qū)段煤柱傾向支承壓力的分布規(guī)律；劉金海等[10]采用現(xiàn)場微震與應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測、理論計算、數(shù)值模擬等，同時考慮沖擊地壓、巷道支護(hù)等因素，確定了深井特厚煤層區(qū)段煤柱留設(shè)的合理尺寸；柏建彪等[11]計算分析了綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩(wěn)定性與煤柱寬度、煤層力學(xué)性質(zhì)及錨桿支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系；王德超等[12]通過現(xiàn)場監(jiān)測得出了采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響范圍，結(jié)合數(shù)值計算、物理模擬和工程實踐，確定了深部厚煤層綜放面的煤柱合理寬度。由于不同礦井地質(zhì)條件的差異性以及開采格局的復(fù)雜性，對于堅硬頂板特厚煤層綜放面區(qū)段煤柱留設(shè)合理寬度的研究尚需進(jìn)一步完善與發(fā)展。

寬溝煤礦W1123工作面具有煤層厚、頂板堅硬且具有強(qiáng)沖擊傾向性、煤礦開采格局復(fù)雜等特點。鑒于此，本文以W1123綜放面為工程背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、工程實踐等方法，研究確定了區(qū)段煤柱的合理寬度并提出了巷道圍巖控制技術(shù)，為類似工程條件下區(qū)段煤柱的留設(shè)提供了理論依據(jù)和參考。

1 礦井概況

1.1 寬溝煤礦采掘布局

神華新疆公司寬溝煤礦位于呼圖壁縣城西南70km，井田東西長9.7km，南北寬3.15km，井田面積約20.13km2。井田區(qū)域地層由老至新依次為石炭系中統(tǒng)前峽組(C2qx)、侏羅系下統(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)、侏羅系上統(tǒng)齊古組(J3q)、喀拉扎組(J3k)。井田含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，含可采及局部可采煤層7層，目前正在回采B2煤層。礦井開拓方式為反斜井開拓(主、副、回風(fēng)井均為反斜井)，分為兩個水平回采。

寬溝煤礦目前開采的W1123工作面埋深370～416m，走向長1469m，傾斜長192m，為一采區(qū)西翼第二個工作面，上區(qū)段W1121工作面已經(jīng)回采完畢。W1123工作面采用綜采放頂煤的開采方式，采高3.2m，放煤高度6.3m，煤層傾角12°～16°，平均14°，平均厚度9.5m，含矸0～2層，結(jié)構(gòu)簡單，在W1121與W1123工作面上部50m左右為B4煤層W1143與W1145采空區(qū)，工作面布置如圖1所示。

1.2 B2煤層頂?shù)装逦锢砹W(xué)特性

B2煤層直接頂為細(xì)砂巖及粉砂巖，平均厚度7.6m，灰色，砂質(zhì)膠結(jié)，裂隙節(jié)理不發(fā)育，單軸抗壓強(qiáng)度為93.55MPa，屬堅硬不易軟化巖石；基本頂為粗砂巖，平均厚度8.5m，灰白色，層狀構(gòu)造，單軸抗壓強(qiáng)度為115.25MPa，屬堅硬不易軟化巖石；底板以泥巖和粉砂巖為主，平均厚度5.76m，強(qiáng)度半堅硬，屬軟化巖石，底板穩(wěn)定性差～較穩(wěn)定。經(jīng)測定，B2煤層頂板為具有強(qiáng)沖擊傾向性的巖層。

2 綜放面區(qū)段煤柱合理寬度理論分析

由于B2煤層回采工作面采用東西雙翼跳采的開采方式，因此工作面區(qū)段煤柱將在巷道掘進(jìn)和本工作面回采期間經(jīng)歷兩次采動影響。當(dāng)上區(qū)段工作面回采后，基本頂會在采空區(qū)邊緣煤體內(nèi)彈塑性界限處發(fā)生破斷形成關(guān)鍵巖塊B，在關(guān)鍵巖塊B的回轉(zhuǎn)作用下，上覆巖層傳遞到實體煤的傾向支承壓力會向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，因此在煤壁處的煤體會產(chǎn)生破碎情況，而傾向支承壓力則以斷裂線為界分為“內(nèi)應(yīng)力場”(S1)與“外應(yīng)力場”(S2)以及“原巖應(yīng)力場”(S3)[13]，如圖2所示。

在圖2中，S1分布范圍的計算公式[14]為：

式中，L為上區(qū)段工作面長度，取162m；M為基本頂巖層度，取8.5m；mz為直接頂巖層厚度，取7.6m；h為煤層厚度，取9.5m；γ為巖層容重，取25kN/m3；E為煤體彈性模量，取1.5GPa；v為泊松比，取0.33；Kc為煤巖碎脹系數(shù)，取1.2；C0為上區(qū)段工作面初次來壓步距，取62.2m；L′為上區(qū)段工作面周期來壓步距，取22.3～28.5m；ξ為與煤體內(nèi)裂隙發(fā)育情況有關(guān)的影響系數(shù)，取0.8。

通過計算可得內(nèi)應(yīng)力場的分布范圍S1=7.13～8.06m。由計算結(jié)果可知，可以留設(shè)7～8m的區(qū)段煤柱使得回采巷道處于低應(yīng)力區(qū)，但是考慮到礦井頂板堅硬且具有沖擊傾向性，在高強(qiáng)度綜放開采的條件下，7～8m的煤柱在巷道掘進(jìn)和工作面采動影響下，將有可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞情況。而且為了避免基本頂于巷道附近破斷所造成的礦壓顯現(xiàn)劇烈，基本頂破斷線與巷道側(cè)煤柱還需留有3～5m左右的距離，因此區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度應(yīng)為10.13～13.06m。為了驗證理論分析的正確性以及對煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，還需開展不同煤柱留設(shè)方案的數(shù)值模擬研究。

3 區(qū)段煤柱合理寬度數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

基于W1123工作面開采技術(shù)及地質(zhì)條件，建立數(shù)值計算模型如圖3所示。模型尺寸為394m×285m；在模型的頂部施加5.4MPa載荷用于模擬上覆巖層所施加的載荷，煤巖體本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型。計算模型所采用的煤柱寬度分別為5m、8m、10m、13m、15m和20m。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

計算模型的開采順序為：首先開采W1143工作面，其次開采W1145工作面，接著開采W1121工作面，然后開采W1123工作面的回采巷道，最后開采W1123工作面。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布特征

巷道掘進(jìn)會導(dǎo)致煤柱內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，巷道掘進(jìn)期間不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布等值線如圖4所示，分析圖4可知：當(dāng)煤柱寬度為5m時，煤柱內(nèi)部基本沒有藍(lán)色的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生，在煤柱寬度達(dá)到8m時，應(yīng)力集中區(qū)域達(dá)到最大，之后隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力集中區(qū)域呈現(xiàn)逐步降低的趨勢；巷道側(cè)煤柱應(yīng)力峰值位于1～2m處，采空區(qū)側(cè)煤柱應(yīng)力峰值位于2～3m處；隨著煤柱寬度由5m增加到20m的過程中，巷道側(cè)煤柱的應(yīng)力峰值由24.2MPa減小為9.2MPa。

圖4 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布等值線圖

工作面的采動影響對于煤柱的穩(wěn)定性影響較大，工作面回采期間不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示，分析圖5可知：①在工作面回采期間，由于受到工作面超前支承壓力與采空區(qū)殘余支承壓力的疊加影響，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力值較掘進(jìn)期間有明顯的增加；②當(dāng)煤柱寬度為5m、8m和10m時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈“單峰”狀態(tài)分布，當(dāng)煤柱寬度大于10m時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布呈不對稱“雙峰”狀態(tài)分布；③當(dāng)煤柱寬度小于10m時，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力變化趨勢較為劇烈，而且此時煤柱內(nèi)部的應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的加大由45.4MPa升高為50.9MPa，在煤柱寬度達(dá)到13m及以上時，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力變化趨勢較為緩和，在煤柱寬度為20m時，應(yīng)力峰值減小至27.5MPa。

圖5 回采期間不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律

3.3 不同寬度煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律

巷道掘進(jìn)與工作面回采期間不同寬度煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律如圖6所示，由圖6可知：①在巷道掘進(jìn)期間，塑性區(qū)的寬度在2～4m之間，塑性區(qū)占比保持在25%以下；②在工作面回采期間，當(dāng)煤柱寬度小于10m時，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通現(xiàn)象，隨著煤柱寬度逐漸加大，寬塑性區(qū)寬度在逐步減小，當(dāng)煤柱寬度為13m時，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)5m的彈性核區(qū)，當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增加到20m時，塑性區(qū)寬度僅有3m；③在工作面回采期間，當(dāng)煤柱寬度為5m、8m和10m時，塑性區(qū)占比分別為76%、74%與65%，當(dāng)煤柱寬度增加到13m時，塑性區(qū)占比迅速降低為28%，此后隨著煤柱寬度繼續(xù)增加至15m和20m時，塑性區(qū)占比進(jìn)一步降低為16%與6.3%。

圖6 不同寬度煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律

3.4 區(qū)段煤柱合理寬度確定

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)煤柱寬度為5～10m時，在受到工作面采動影響下，煤柱內(nèi)部應(yīng)力較高，塑性區(qū)出現(xiàn)了貫通現(xiàn)象且面積較大，煤柱穩(wěn)定性較差；在煤柱寬度達(dá)到13～20m時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)較為平緩，應(yīng)力峰值逐漸降低，塑性區(qū)占比迅速減小為28%、16%與6.3%，煤柱穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)。工作面區(qū)段煤柱的留設(shè)，要既能有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定性，又能保證較高的煤炭資源采出率，結(jié)合理論分析結(jié)果，確定區(qū)段煤柱的合理寬度為15m。

4 工程實踐

4.1 留巷支護(hù)概況

W1123工作面巷道斷面為圓弧拱形，掘進(jìn)寬度為4700mm，巷道斷面中心掘進(jìn)高度3700mm。在運輸巷掘進(jìn)過程中局部區(qū)域出現(xiàn)了兩幫變形量大、頂煤下沉嚴(yán)重等問題。因此，為了保證采掘過程中巷道圍巖的穩(wěn)定性，除了留設(shè)合理的煤柱寬度外，還需進(jìn)一步增加巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度，在結(jié)合圍巖結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，提出了采用“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+鋼帶”的聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿采用規(guī)格為Φ18mm×2500mm的等強(qiáng)錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，每根錨桿使用2支CK2350型樹脂錨固劑；錨索采用規(guī)格為Φ18.9mm×10500mm的鋼絞線，錨索間排距為2400mm×2400mm，每根錨索使用3支CK2350型樹脂錨固劑；錨網(wǎng)采用4#冷拔絲網(wǎng)，錨網(wǎng)寬度為1000mm；鋼帶采用Φ12mm的圓鋼加工，排距為800mm。巷道具體支護(hù)參數(shù)如圖7所示。

圖7 巷道支護(hù)設(shè)計斷面圖(mm)

4.2 留巷效果分析

在W1123工作面回采過程中，采用“十字布點法”在超前工作面90m、100m和110m布置三個監(jiān)測斷面，對運輸巷頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測，巷道變形量曲線如圖8所示。由圖8可知：在距離工作面80～110m范圍內(nèi)，頂?shù)装宓囊平吭?～0.023m之間，兩幫移近量在0～0.02m之間；在距離工作面30～80m范圍內(nèi)，頂?shù)装宓囊平吭?.023～0.15m之間，兩幫移近量在0.02～0.257m之間；在距離工作面5～30m范圍內(nèi)，頂?shù)装宓囊平吭?.15～0.214m之間，兩幫移近量在0.257～0.325m之間。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，巷道圍巖變形處于工程所允許的范圍之內(nèi)，且能夠滿足巷道行人、運輸以及通風(fēng)的要求。因此，采用15m煤柱結(jié)合“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+鋼帶”的聯(lián)合支護(hù)方式合理有效，不僅可以維持巷道的整體穩(wěn)定性，還可以保障工作面的正常生產(chǎn)。

圖8 巷道變形量曲線

5 結(jié) 論

1)通過對綜放面區(qū)段煤柱合理寬度的理論分析表明，基本頂破斷以及重復(fù)采動對于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性影響較大，基于內(nèi)應(yīng)力場分布范圍得出區(qū)段煤柱寬度應(yīng)為10.13～13.06m。

2)利用數(shù)值模擬對不同寬度煤柱在采掘影響下的應(yīng)力分布特征以及塑性區(qū)分布規(guī)律研究表明：當(dāng)煤柱寬度為5～10m時，在工作面采動影響下，煤柱內(nèi)部應(yīng)力較高，塑性區(qū)出現(xiàn)了聯(lián)通現(xiàn)象且面積較大，煤柱穩(wěn)定性較差；在煤柱寬度達(dá)到13～20m時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布較為平緩，應(yīng)力峰值逐漸降低，塑性區(qū)占比迅速減小為28%、16%與6.3%，煤柱穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)，結(jié)合理論分析綜合確定區(qū)段煤柱留設(shè)的合理寬度為15m。

)現(xiàn)場監(jiān)測表明：采用15m煤柱結(jié)合“錨桿+錨索+錨網(wǎng)+鋼帶”的聯(lián)合支護(hù)方式合理有效，既能夠提高煤炭資源的回收率，又能夠有效控制巷道穩(wěn)定性，從而保障工作面的正常生產(chǎn)。