郭喜斌

【摘 要】 針對孤島工作面圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜和回采巷道變形嚴重，留大煤柱沿空掘巷造成資源浪費等問題，文章采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，對護巷煤柱合理寬度進行研究。結(jié)果表明：1）理論計算得到窄煤柱最小寬度為7.8m;2）數(shù)值模擬得到煤柱寬度為9m時，能保證自身穩(wěn)定并有效支撐上覆巖層，提高了煤炭回收利用率?，F(xiàn)場實測表明，2104運輸順槽留9m窄煤柱并進行有效加固后，巷道變形得到有效控制。本文為孤島工作面沿空掘巷護巷煤柱寬度的確定提供了參考。

【關(guān)鍵詞】 孤島工作面;綜放開采;沿空掘巷;煤柱寬度;數(shù)值模擬

【中圖分類號】 TD822.3 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）04-0019-03 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

煤柱合理寬度的確定是維護沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素。而相對于常規(guī)工作面而言，受鄰近工作面回采影響，孤島綜放工作面圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、礦壓顯現(xiàn)劇烈，回采巷道變形較大。確定合理的護巷煤柱寬度，是有效控制孤島工作面沿空掘巷圍巖變形，確保工作面安全回采的重要措施。對此，許多學者和礦山科技工作者進行了大量的研究。秦小衛(wèi)采用理論分析和數(shù)值模擬等方法確定了章村礦孤島工作面護巷煤柱寬度為3m時，最有利于防范沖擊地壓并能對孤島工作面進行最大限度的回采。段軍等采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對比分析了寬度為4～12m的煤柱應(yīng)力、塑性區(qū)分布和位移情況，確定了某礦孤島工作面煤柱合理寬度大于8m。趙寧、王晨輝和楊小軍等分別就孤島工作面沿空掘巷煤柱合理寬度進行了研究。本文以山西某礦2104孤島綜放工作面沿空掘巷為研究對象，結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，確定了護巷窄煤柱的合理寬度并進行了現(xiàn)場驗證，為孤島工作面沿空掘巷護巷煤柱寬度的確定提供了參考。

1工程概況

山西某礦目前主采2#煤層，該煤層平均埋深為326m，均厚4.2m，煤層平均傾角5°。該煤層為地質(zhì)構(gòu)造簡單，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層內(nèi)賦存有厚度為0.2～0.4m炭質(zhì)泥巖夾矸。2#煤層頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

2#煤層2104工作面位于井田西南部一采區(qū)，地面標高+652～664m，井下標高+435～485m，埋深140m。該工作面南、北和東側(cè)依次為2102、2106和2303工作面采空區(qū)，西側(cè)為實體煤，故2104工作面為三面采空的孤島工作面。2104工作面采用走向長壁綜采放頂煤工藝進行回采。2104孤島工作面布設(shè)位置如圖2所示。

2沿空留巷煤柱寬度理論分析

2104孤島工作面留窄煤柱沿空掘巷如圖3所示。上一工作面回采導致采空區(qū)邊緣基本破斷和垮落，形成一個弧形塊體（如圖3中B塊體所示），進而在采空區(qū)邊緣形成一定范圍的卸壓區(qū)，在該區(qū)內(nèi)布設(shè)回采巷道易于維護。而隨著采空區(qū)上覆巖層的破斷和垮落，在側(cè)向支承壓力作用下沿空掘巷護巷窄煤柱易在兩側(cè)形成塑性區(qū)，而在煤柱中部形成彈性區(qū)。由煤柱保持穩(wěn)定的力學條件可知，沿空掘巷所留設(shè)的窄煤柱在保留有一定寬度的彈性區(qū)的同時，確保煤柱寬度大于塑性區(qū)寬度。

式（1）和（2）中，B為合理煤柱寬度，m;x1為錨桿有效支護長度，m;x2煤柱穩(wěn)定系數(shù);x3煤柱塑性區(qū)寬度，m;λ為比例系數(shù)。結(jié)合概況2104工作面實際生產(chǎn)地質(zhì)情況可知，x1取2.4m，x3取4.1m，λ取0.2，分別帶入式（1）和（2），計算得到2104孤島工作面沿空掘巷護巷窄煤柱寬度為B≥7.8m。即當護巷煤柱寬度最小為7.8m時，可確保護巷煤柱和沿空掘巷圍巖穩(wěn)定。

3沿空留巷煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

根據(jù)該礦2#煤層2104工作面具體地質(zhì)情況和巖石物理力學測試報告，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型，所建立的數(shù)值模型尺寸為300×200×80m（長×寬×高）。模型上邊界施加3.5MPa的均布載荷，下邊界和左右兩端邊界固定位移。所建立的數(shù)值模型如圖4所示。

在模型建立完成并平衡后，首先開挖2102和2106工作面，并待工作面開挖完畢且穩(wěn)定后掘進2104運輸順槽，護巷窄煤柱寬度分別按7、8、9和10m四個方案留設(shè)，最后開挖2104工作面。在護巷窄煤柱內(nèi)部設(shè)有應(yīng)力監(jiān)測點，以獲取不同寬度煤柱應(yīng)力隨工作面推進的變化數(shù)據(jù)，進而為沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定提供依據(jù)。不同寬度護巷窄煤柱垂直應(yīng)力變化數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，不同寬度煤柱的垂直應(yīng)力隨距煤柱幫距離的增加呈先增大后減小的變化趨勢。受2104運輸順槽掘進和2104工作面回采的影響，護巷煤柱寬度為7m時，應(yīng)力峰值為10.92MPa小于2104工作面圍巖原巖應(yīng)力的12.75MPa，說明該寬度的煤柱不足以承載上覆巖層重量而發(fā)生嚴重破壞，其整個寬度范圍內(nèi)均為發(fā)生塑性變形破壞而不存在彈性區(qū)，導致其承載能力喪失。

當護巷煤柱寬度為8m時，其應(yīng)力峰值為12.77MPa，與該工作面圍巖的原巖應(yīng)力大小相當，說明寬度為8m的護巷煤柱處于極限平衡狀態(tài)。該寬度的護巷煤柱承載能力相較于寬度為7m的煤柱承載能力雖略有增強，也沒有發(fā)生顯著破壞，但仍有可能發(fā)生破壞。

當護巷煤柱寬度增大至9m時，煤柱應(yīng)力峰值為14.29MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.12，說明煤柱寬度增大至9m時其承載能力顯著增強，煤柱內(nèi)部具有一定范圍的彈性核區(qū)，故2104工作面護巷煤柱寬度至少應(yīng)為9m。

當護巷煤柱寬度增大至10m時，煤柱應(yīng)力峰值為17.64MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.38，說明隨著煤柱寬度增大其承載能力不斷增強。

綜合理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果可知，2104工作面護巷煤柱寬度為9m時能有效支撐上覆巖層并保證自身穩(wěn)定。此外，煤柱承載能力隨其寬度增加而增強，但為了提高煤炭資源回收利用率和企業(yè)經(jīng)濟效益，將2104孤島工作面沿空掘巷護巷窄煤柱的合理寬度確定為9m。

4工業(yè)性實驗

該礦2104孤島工作面運輸順槽采用寬度為9m的沿空掘巷，并根據(jù)該工作面實際生產(chǎn)情況對巷道進行了支護加固。為了探究寬度為9m的護巷煤柱是否滿足該工作面生產(chǎn)需求，本文采用十字布點法對2104工作面回采過程中2104運輸順槽圍巖變形情況進行監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當護巷窄煤柱寬度為9m時，2104運輸順槽表面移近量隨距工作面距離的增加呈現(xiàn)出現(xiàn)快速減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，且該巷道頂?shù)装逡平匡@著大于兩幫移近量。此外，2104運輸順槽頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為290.36mm和148.93mm，隨距工作面距離的增加，其頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e穩(wěn)定在100和25mm，巷道圍巖未發(fā)生顯著變形和破壞，巷道變形得到有效控制，表明護巷窄煤柱寬度為9m時可保證2104孤島工作面沿空掘巷的穩(wěn)定。

5結(jié)語

理論計算得到2104孤島工作面沿空掘巷護巷窄煤柱合理寬度下限為7.8m;

數(shù)值模擬結(jié)果表明，煤柱寬度為9m時，其承載能力顯著增強且具有一定范圍的彈性核區(qū);

確定了護巷窄煤柱的合理寬度為9m，且現(xiàn)場試驗表明2104工作面運輸順槽無顯著變形和破壞，取得了良好的應(yīng)用效果。

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