李 斌，李 剛，汪北方

(1.大同煤礦集團(tuán) 鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 12300)

綜放開采在我國厚煤層礦井己被廣泛應(yīng)用，逐漸成為經(jīng)濟(jì)、有效的厚煤層開采方法之一。但在長期實(shí)踐過程中，仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)難題亟待解決，其中沿空掘巷期間留設(shè)合理煤柱尺寸問題尤為凸顯，直接決定著巷道穩(wěn)定和煤炭回采率[1，2]。為此，國內(nèi)專家、學(xué)者相繼展開了大量研究工作。李潞斌等[3]利用有限差分軟件模擬了不同臨空煤柱尺寸條件下，巷道圍巖應(yīng)力和位移變化規(guī)律，得出巷道煤柱合理尺寸。孟馮超等[4]基于極限平衡原理，分析了巷道圍巖支承壓力分布及失穩(wěn)破壞特點(diǎn)，確定了工作面合理護(hù)巷煤柱尺寸。張航等[5]根據(jù)煤柱防漏風(fēng)能力與其細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷間的關(guān)系，結(jié)合巖體損傷過程中滲流特性差異，設(shè)計(jì)出易自燃煤層沿空掘巷合理煤柱尺寸。張永久等[6]在綜放工作面臨空巷道運(yùn)動規(guī)律及覆巖結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，得到了類似開采條件下合理護(hù)巷煤柱尺寸。韓承強(qiáng)等[7]通過現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，測試了沿空掘巷區(qū)段煤柱應(yīng)力演變情況，闡釋了工作面超前支承壓力作用范圍及煤柱變形響應(yīng)特征，明確了煤柱合理尺寸。

盡管關(guān)于煤柱合理尺寸的研究已從數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)等方面取得了較為顯著的成果。但由于地質(zhì)環(huán)境和開采條件的差異，煤柱合理尺寸的研究成果存在較大區(qū)別，很難建立起一套普適的理論標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前仍需要根據(jù)特定的生產(chǎn)地質(zhì)條件，進(jìn)行具體問題具體分析。以南陽坡煤礦8800綜放工作面沿空掘進(jìn)巷道的臨空煤柱為研究對象，采用理論分析、相似實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的研究方法系統(tǒng)研究其合理尺寸。

1 工程背景

南陽坡煤礦8800綜放工作面位于408盤區(qū)中部，北部為408盤區(qū)大巷，南部和西部為早期采空區(qū)，東部為8805工作面采空區(qū)，已于2015年回采結(jié)束，上覆3#煤層為實(shí)體煤區(qū)，工作面標(biāo)高1198～1212m，具體工作面位置如圖1所示。工作面主采5#煤層，厚度10.53m，傾角3°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，老頂為中粒砂巖厚度13.52m，直接頂為砂質(zhì)泥巖厚度3.11m，直接底為中粒砂巖厚度2.65m?？傮w來看，5#煤層地質(zhì)條件簡單，煤層賦存穩(wěn)定，僅有小型斷層或裂隙，無瓦斯突出，無突水危險。

圖1 工作面位置

正常情況下，8800綜放工作面沿空掘巷留設(shè)實(shí)體煤柱寬度為20～30m，這造成煤炭資源嚴(yán)重?fù)p失，大大降低了礦井回采率。為了提高煤炭資源回采率，實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)、高效生產(chǎn)，考慮采用沿空掘巷留設(shè)小煤柱。當(dāng)然，8805工作面采空區(qū)覆巖運(yùn)動已趨于穩(wěn)定，具備沿空掘巷留設(shè)小煤柱的地質(zhì)條件。因此，需對礦井8800綜放工作面沿空掘巷留設(shè)臨空小煤柱尺寸進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 臨空小煤柱合理尺寸確定

通過煤柱承受載荷要小于煤柱極限強(qiáng)度的條件，確定沿空掘巷留設(shè)臨空小煤柱的合理尺寸。根據(jù)關(guān)鍵層理論[8-10]，8800綜放工作面頂板巖層運(yùn)動規(guī)律及支承壓力分布狀態(tài)如圖2所示，頂板巖層關(guān)鍵巖塊B與A、C形成塑性鉸接結(jié)構(gòu)。

圖2 沿空掘巷留小煤柱應(yīng)力分布

關(guān)鍵巖塊B承載關(guān)鍵巖塊A和C的鉛直剪力和水平推力、軟弱巖塊和塊體本身自重、采空區(qū)矸石支撐力和煤柱支撐力。在這些應(yīng)力作用下，關(guān)鍵巖塊B保持平衡，受力分析如圖3所示。圖中，RBC為關(guān)鍵巖塊C對關(guān)鍵巖塊B的鉛直剪力；TBC為關(guān)鍵巖塊C對關(guān)鍵巖塊B的水平推力；RAB為關(guān)鍵巖塊A對關(guān)鍵巖塊B的鉛直剪力；TAB為關(guān)鍵巖塊A對關(guān)鍵巖塊B的水平推力；FR為軟弱巖層的自重合力；FZ為關(guān)鍵巖塊B的自重合力；FC為采空區(qū)矸石對關(guān)鍵巖塊B的支撐力；FM為煤柱對關(guān)鍵巖塊B的支撐力。

圖3 關(guān)鍵巖塊B受力分析

圖中EF為關(guān)鍵巖塊B的回轉(zhuǎn)軸，關(guān)鍵巖塊B平衡時，各力對轉(zhuǎn)軸EF的合力矩為0，即∑MEF=0，則有：

式中，a為關(guān)鍵巖塊A、C與關(guān)鍵巖塊B的作用位置參數(shù)；α為關(guān)鍵巖塊B的底角，(°)；fg為單位面積矸石的支撐力，MPa；σy為關(guān)鍵巖塊B下方煤柱垂直應(yīng)力，MPa。

煤柱對關(guān)鍵巖塊B的支撐力FM對小煤柱護(hù)巷圍巖穩(wěn)定性有重要意義，用式(2)表示：

其中：

式中，x0為基本頂斷裂位置距采空區(qū)距離，m；Pz為支護(hù)結(jié)構(gòu)對煤幫的阻力，MPa；C0為煤體的內(nèi)聚力，MPa；φ0為煤體的內(nèi)摩擦角，(°)；L2為關(guān)鍵巖塊B沿采空側(cè)斷裂跨度，m；A為側(cè)壓系數(shù)。

根據(jù)Bieniawski提出的煤柱強(qiáng)度線性計(jì)算方法：

式中，σm取5～8MPa；W為煤柱的寬度，m；h為煤柱的高度，m。

聯(lián)立式(4)和式(8)得：

結(jié)合8800綜放工作面實(shí)際開采條件，工作面長度為180m，巷道埋深為230m，煤柱高度為3.6m，巷道支護(hù)阻力為0.3MPa，煤層內(nèi)聚力為1.3MPa，內(nèi)摩擦角為42°，工作面?zhèn)葔合禂?shù)A為0.5，x0為基本頂斷裂位置距離采空區(qū)距離，σm為7MPa，W為煤柱寬度，帶入式(9)中，計(jì)算得到煤柱寬度應(yīng)大于5.4m。若要保證8800綜放工作面沿空掘進(jìn)巷道臨空小煤柱的穩(wěn)定性，實(shí)際留設(shè)臨空小煤柱寬度必須大于理論計(jì)算結(jié)果。因此，沿空掘巷留設(shè)小煤柱寬度取7m。

3 臨空小煤柱合理尺寸校驗(yàn)

3.1 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)可根據(jù)工作面實(shí)際開采條件對現(xiàn)場進(jìn)行還原，且相似程度高、周期短、結(jié)果直觀[11-13]。因此，利用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)分析8800綜放工作面沿空掘巷留設(shè)7m小煤柱圍巖穩(wěn)定性。

3.1.1 模型構(gòu)建

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺尺寸為長×寬×高=300cm×30cm×150cm，采用平面應(yīng)力模型，相似材料模型如圖4所示。幾何相似比為αl=1∶100，容重相似比為α=1∶1.55，時間比為αt=1∶10。河沙和云母做骨料，新鮮燒透的石灰和石膏做膠結(jié)物。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原型煤巖物理力學(xué)參數(shù)，通過換算和不同配比相似材料力學(xué)測試，選定模型相似材料合理配比，具體見表1。各相似材料煤巖層由下向上依次鋪裝，對上覆未能裝填煤巖層采取等效應(yīng)力載荷加載的方法施加0.029MPa。模型模擬開采5#煤層采高約為10cm，進(jìn)尺為3cm，開采間隔50min；左端留設(shè)20cm煤柱減小邊界效應(yīng)影響，當(dāng)開采到162cm時停止，待采空區(qū)覆巖完全穩(wěn)定后，留設(shè)7cm寬度小煤柱開挖巷道，寬高均為5cm。

圖4 相似材料模型

3.1.2 結(jié)果分析

厚煤層綜放開采沿空掘巷小煤柱是巷道圍巖重要組成部分，其穩(wěn)定性取決于上覆基本頂斷裂巖塊結(jié)構(gòu)[14]。綜放工作面推過，垮落直接頂巖層的碎脹特性填滿采空區(qū)，限制了破斷基本頂巖層下沉；而破斷基本頂巖層的剪脹效應(yīng)增加斷裂巖塊長度。覆巖整體破斷形態(tài)呈“梯形”，垮落帶及低位裂隙帶覆巖活動劇烈，垮落帶破斷覆巖形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，低位裂隙帶下位破斷覆巖形成“鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)，上位破斷覆巖形成多塊鉸接的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，更上位為彎曲下沉帶巖層，如圖5所示。

綜放工作面小煤柱巷道處于煤體與采空區(qū)交界處的支承壓力降低區(qū)，隨著煤層采出采場上覆基本頂巖層破斷、變形、移動，形成綜放工作面臨空小煤柱上覆巖層大結(jié)構(gòu)[15]，有效避免采動應(yīng)力破壞小煤柱結(jié)構(gòu)，保證動壓后小煤柱仍具有較高的強(qiáng)度和承載能力，充分利用圍巖自穩(wěn)性質(zhì)來控制巷道變形，表明8800綜放工作面沿空掘巷留設(shè)7m小煤柱是可行的，可進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

3.2 現(xiàn)場觀測試驗(yàn)

巷道表面位移觀測能夠比較直觀反映巷道圍巖變形量，有助于評價支護(hù)系統(tǒng)的作用[16]。因此，利用JSS30A式收斂計(jì)觀測8800綜放工作面沿空留設(shè)7m小煤柱掘進(jìn)5800巷道采動圍巖變形。

表1 相似模擬實(shí)驗(yàn)材料配比表

圖5 沿空掘巷小煤柱覆巖結(jié)構(gòu)

3.2.1 測點(diǎn)布置

選取8800綜放工作面沿空掘進(jìn)5800巷道3個測點(diǎn)觀測斷面兩幫相對移近量、頂板下沉量，測點(diǎn)1距離5800巷道口150m，測點(diǎn)2距離5800巷道口200m，測點(diǎn)3距離5800巷道口430m，如圖6所示。

圖6 觀測點(diǎn)布置圖(m)

3.2.2 觀測方法

常規(guī)觀測時在測點(diǎn)斷面頂、底板及兩幫各做1個標(biāo)記為測量基點(diǎn)，頂部基點(diǎn)布置在巷道中心線上，幫部測點(diǎn)布置在巷道腰線位置，4個基點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)，但由于煤巷底鼓嚴(yán)重，且底板基點(diǎn)容易阻礙行人行車，故底板可不設(shè)基點(diǎn)，以頂部基點(diǎn)到幫部基點(diǎn)連線的垂直距離作為頂板下沉量，如圖7所示。每隔2d觀測1次并記錄數(shù)據(jù)。

圖7 斷面測量基點(diǎn)布置

3.2.3 觀測結(jié)果

8800綜放工作面回采過程中，選取5800巷道變形觀測重點(diǎn)時段數(shù)據(jù)，見表2。3個測點(diǎn)斷面均是臨近工作面50～60m時變形開始持續(xù)增大，工作面推過3個測點(diǎn)，巷道各測點(diǎn)斷面兩幫最大移近量為0.25m，頂板最大下沉量為0.23m，巷道圍巖較穩(wěn)定，并未出現(xiàn)嚴(yán)重巷道變形。

表2 巷道圍巖變形觀測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1)基于關(guān)鍵層理論，構(gòu)建8800綜放工作面沿空掘巷煤柱頂板關(guān)鍵巖塊鉸接結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析臨空煤柱承載應(yīng)力，結(jié)合Bieniawski提出的煤柱強(qiáng)度線性計(jì)算方法，確定沿空掘巷留設(shè)小煤柱的合理尺寸為7m。

2)相似實(shí)驗(yàn)?zāi)M表明沿空掘巷留設(shè)7m小煤柱使巷道處于煤體與采空區(qū)交界處的支承壓力降低區(qū)，上覆巖層能夠形成承載結(jié)構(gòu)有效維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性，表明留設(shè)7m小煤柱尺寸是可行的，可進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

3)開展5800巷道表面位移現(xiàn)場觀測試驗(yàn)，工作面回采期間兩幫移近量均為0.25m，頂板下沉量為0.23m，并未出現(xiàn)嚴(yán)重變形，進(jìn)一步驗(yàn)證了沿空掘巷留設(shè)7m小煤柱尺寸的可行性。