張文豪

(西山煤電集團(tuán) 技術(shù)中心， 山西 太原 030053)

為了提高煤炭資源的開采效率，窄煤柱沿空掘巷技術(shù)被廣泛使用，煤柱寬度及沿空掘巷支護(hù)參數(shù)影響沿空掘巷掘進(jìn)期間及回采期間圍巖穩(wěn)定[1-2]. 國(guó)內(nèi)外對(duì)護(hù)巷煤柱寬度的留設(shè)進(jìn)行了大量的研究。郭重托[3]借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬等手段，分析了不同煤柱寬度2302工作面回風(fēng)巷圍巖承載演化規(guī)律，確定了合理窄煤柱寬度為6.0 m. 李季等[4]以主應(yīng)力差為研究切入點(diǎn)，利用理論計(jì)算及數(shù)值模擬等研究方法，研究了深部回采工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力差分布特征和不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖主應(yīng)力差分布規(guī)律，提出了以主應(yīng)力差分布規(guī)律為依據(jù)的深部沿空掘巷煤柱設(shè)計(jì)思路。柏建彪等[5]通過數(shù)值模擬計(jì)算分析，研究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，提出了合理的窄煤柱寬度。

1 工程地質(zhì)概況

某礦B3103回風(fēng)順槽一側(cè)為B3102工作面采空區(qū)，2017年8月回采完畢，3#煤層厚度平均4.8 m，煤層埋深250 m左右，直接頂為6.0 m泥巖，基本頂為7.0 m石灰?guī)r，直接底為3.0 m粉砂巖，基本底為6.0 m泥巖，B3103工作面長(zhǎng)度為1 500 m，切眼長(zhǎng)度200 m，B3103回風(fēng)順槽沿頂板掘進(jìn)，采掘工程平面示意圖見圖1.

圖1 B3103工作面采掘工程平面示意圖

2 沿空掘巷窄煤柱寬度理論計(jì)算

極限平衡理論計(jì)算模型見圖2，極限平衡理論塑性區(qū)擴(kuò)展深度x1表達(dá)式為：

式中：

k1一垂直應(yīng)力集中系數(shù),取2；

H—煤層埋深，m,取250；

γ—頂板巖石平均容重，kN/m3,取25；

M—煤層厚度，m,取4.8；

β—臨界塑性區(qū)側(cè)壓系數(shù)，β=μ/(1-μ),μ為泊松

比，取0.2，則β=0.25；

φ0—煤體內(nèi)摩擦角，(°),取35;

α—煤層傾角，(°),取3;

c—煤體黏聚力，MPa,取1.25.

圖2 極限平衡理論計(jì)算模型圖

將相關(guān)參數(shù)代入上式得：x1=2.08 m

窄煤柱理論寬度計(jì)算公式為：

B=x1+x2+x3

式中：

x1—塑性區(qū)寬度，m；

x2—幫部錨桿有效長(zhǎng)度，m，回風(fēng)順槽錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm,考慮錨桿外露，此處有效長(zhǎng)度取1.8；

x3—穩(wěn)定性系數(shù)，考慮現(xiàn)場(chǎng)因素需要增大的穩(wěn)定性系數(shù)，x3=0.2(x1+x2).

計(jì)算得到：

B=x1+x2+x3≥4.656 m

3 沿空掘巷合理煤柱寬度數(shù)值模擬

以B3103工作面地質(zhì)概況為研究對(duì)象建立模型，模型共7層。巷道尺寸為4.7 m×3.6 m，沿頂板掘進(jìn)，其數(shù)值計(jì)算模型見圖3. 模型的尺寸為300 m×120 m×47.5 m，模型的上部邊界施加與等量的上覆巖層的重量，模型的X、Y方向施加水平約束，Z方向只固定模型下部，上部根據(jù)實(shí)際應(yīng)力值設(shè)定相應(yīng)的應(yīng)力邊界，模型中的物理力學(xué)參數(shù)見表1. 分別模擬寬度為4 m、6 m、8 m和10 m四種煤柱寬度下沿空掘巷應(yīng)力變化規(guī)律。

圖3 沿空掘巷數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)表

數(shù)值計(jì)算過程為：建立數(shù)值計(jì)算模型→原巖應(yīng)力平衡計(jì)算→開挖B3102工作面計(jì)算→沿空掘巷計(jì)算→B3103工作面回采計(jì)算→輸出計(jì)算結(jié)果。

B3103工作面在鄰近工作面B3102回采后的垂直應(yīng)力分布見圖4. 原巖應(yīng)力大小為：6.25 MPa，B3103工作面臨近采空區(qū)邊緣距采空區(qū)0～5 m為應(yīng)力降低區(qū)，峰值位置距采空區(qū)邊界10 m，峰值為13 MPa，應(yīng)力增高區(qū)為5～30 m，原巖應(yīng)力區(qū)為30～60 m.

為了確定合理的窄煤柱寬度，首先研究B3103回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間4個(gè)方案中不同寬度窄煤柱垂直應(yīng)力場(chǎng)分布情況，見圖5.

由圖5可以看出，隨煤柱寬度的增加，沿空巷道煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的峰值先增大后趨于穩(wěn)定，即峰值從4 m煤柱時(shí)的3 MPa增大到10 m煤柱時(shí)的9 MPa左

圖4 側(cè)向支承應(yīng)力分布云圖

右，然而煤柱4 m時(shí)的垂直應(yīng)力峰值已顯著低于原巖應(yīng)力，這是由于在掘進(jìn)的過程中4 m煤柱無法承受采動(dòng)擾動(dòng)下的側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力峰值，因此留設(shè)4 m護(hù)巷煤柱是不利于巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。隨煤柱寬度的增加，實(shí)體煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值先增大后減小，但其增大的幅度較小，即實(shí)體煤內(nèi)垂直應(yīng)力峰值穩(wěn)定在14～15 MPa，煤柱在8 m和10 m巷道圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境，巷道圍巖不容易穩(wěn)定，6 m煤柱能夠起到一定的承載作用，同時(shí)處于低應(yīng)力環(huán)境，能夠保持沿空巷道大應(yīng)力環(huán)境下的穩(wěn)定。

圖5 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布規(guī)律圖

4 沿空掘巷合理支護(hù)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

頂錨桿使用22/2400螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，采用尺寸150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度拱形托盤，錨固方式采用一支CKb2335和一支K2360樹脂錨固劑。頂錨索使用d18.9 mm×6 300 mm的礦用錨索，錨索沿頂板呈2-1-2布置，間距為1 700 mm，排距為1 000 mm，配套使用300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度托盤，使用一支CKb2335及兩支K2360樹脂錨固劑，兩幫采用22/2000螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，采用尺寸150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度拱形托盤，錨固方式采用一支CKb2335和一支K2360樹脂錨固劑。B3103回風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖見圖6. B3103回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間的巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖7.

由圖7可以看出，采用6 m煤柱寬度配合合理支護(hù)參數(shù)，B3103回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，隨著距掘進(jìn)頭距離的逐漸增大，沿空巷道兩幫移近量最大值達(dá)到150 mm左右，頂?shù)装逡平孔畲笾颠_(dá)到187 mm左右，巷道圍巖變形量較小，驗(yàn)證了煤柱寬度及支護(hù)參數(shù)的合理性。

圖6 B3103回風(fēng)順槽支護(hù)斷面圖

圖7 B3103回風(fēng)順槽兩幫及頂?shù)装逡平繄D

5 結(jié) 論

探究了沿空掘巷合理煤柱寬度及支護(hù)參數(shù)，基于極限平衡理論確定了沿空掘巷理論寬度，建立了FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，分析了一側(cè)采空后側(cè)向支承應(yīng)力分布規(guī)律、不同煤柱寬度沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布特征，得出了以下結(jié)論：

1) 沿空掘巷窄煤柱理論寬度為4.656 m，B3103工作面臨近采空區(qū)邊緣距采空區(qū)0～5 m為應(yīng)力降低區(qū)，峰值位置距采空區(qū)邊界10 m，峰值為13 MPa，應(yīng)力增高區(qū)為5～30 m，原巖應(yīng)力區(qū)為30～60 m.

2) 6 m煤柱寬度配合合理的支護(hù)參數(shù)，掘進(jìn)期間兩幫移近量最大為150 mm左右，頂?shù)装逡平孔畲鬄?87 mm左右，沿空巷道圍巖保持穩(wěn)定。