童榮，李化敏，孫浩，李東印

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

0 引言

隨著煤炭行業(yè)開(kāi)采技術(shù)逐漸成熟、采礦裝備日益先進(jìn)、開(kāi)采強(qiáng)度逐步增加，礦井可采儲(chǔ)量下降速度過(guò)快問(wèn)題也日益凸顯。為提高煤礦資源采出率、延長(zhǎng)服務(wù)年限、提高經(jīng)濟(jì)效益，目前開(kāi)采主要采用無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)，其中特厚煤層條件下以小煤柱護(hù)巷為主［1-6］。由于地質(zhì)條件、開(kāi)采技術(shù)條件等不同，煤柱尺寸留設(shè)寬度也不盡相同。因此，不同條件下小煤柱寬度如何留設(shè)成為采礦界研究的焦點(diǎn)之一。

目前，在沿空掘巷煤柱留設(shè)和巷道圍巖控制等方面，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了較多研究。姚博等［7］以淺埋深、中厚煤層為地質(zhì)條件，對(duì)孤島工作面小煤柱巷道所處的端部“小結(jié)構(gòu)”進(jìn)行了分析，通過(guò)理論計(jì)算，得出該地質(zhì)條件下小煤柱的留設(shè)寬度；李文峰等［8］從如何解決小煤柱巷道圍巖變形嚴(yán)重問(wèn)題入手，通過(guò)研究小煤柱巷道所處的力學(xué)環(huán)境，分析巷道圍巖變形機(jī)理，并提出合理的支護(hù)方案，解決了小煤柱巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題；譚志文［9］從小煤柱巷道回采期間的圍巖穩(wěn)定性入手，分析了不同煤柱寬度在工作面回采期間的受力狀況及巷道變形情況，從巷道回采角度探索了小煤柱巷道煤柱的寬度留設(shè)；崔楠等［10］通過(guò)開(kāi)發(fā)可釋放彈性應(yīng)變能計(jì)算單元及其與TECPLOT耦合分析的程序，研究了孤島沿空掘巷小煤柱中彈性應(yīng)變能密度分布特征；桑鵬程等［11］以小煤柱巷道的沖擊地壓防治為切入點(diǎn)，分析了小煤柱工作面高靜載主導(dǎo)-強(qiáng)動(dòng)載誘發(fā)的動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理?？梢钥闯觯鲜鲫P(guān)于小煤柱沿空掘巷的研究多集中于煤柱所處的力學(xué)環(huán)境和巷道圍巖控制方面，而煤柱的留設(shè)寬度受地質(zhì)條件影響較大，針對(duì)大同礦區(qū)特厚煤層堅(jiān)硬頂板地質(zhì)條件下小煤柱合理留設(shè)寬度的研究相對(duì)較少。

本文以大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司麻家梁礦為研究背景，探究該地質(zhì)條件下沿空掘巷小煤柱的合理留設(shè)寬度。以往麻家梁礦留設(shè)的區(qū)段煤柱為寬煤柱，約38 m。寬煤柱護(hù)巷可以隔離相鄰采空區(qū)有害的水、火、瓦斯等，使本工作面不受采空區(qū)影響，但資源浪費(fèi)嚴(yán)重，回采期間巷道變形量大。為解決這些問(wèn)題，以麻家梁礦14203-1膠帶運(yùn)輸巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，研究沿空掘巷小煤柱合理的留設(shè)寬度。

1 工程概況

麻家梁礦14203-1工作面開(kāi)采3-5號(hào)煤層，煤層平均傾角3°，平均厚度9.5 m，平均密度1.44×103kg／m3，普氏硬度3。煤層直接頂為含炭泥巖、粉砂巖，煤層底板為粉砂巖，工作面內(nèi)3716鉆孔柱狀圖如圖1所示，14203-1工作面巷道布置平面圖如圖2所示。

圖1 3716鉆孔柱狀圖Fig.1 No.3716 borehole column

圖2 14203-1工作面巷道布置平面圖Fig.2 Gateway layout plane figure plane figure of 14203-1 working face

2 沿空掘巷小煤柱合理寬度分析

煤柱的留設(shè)寬度是沿空巷道圍巖控制的重要因素。如果煤柱寬度過(guò)小，則煤柱破碎嚴(yán)重，不利于巷道支護(hù)，同時(shí)也不利于與采空區(qū)隔絕，水、火、瓦斯等災(zāi)害問(wèn)題突出。如果煤柱寬度留設(shè)較大，可能將巷道布置在采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力升高區(qū)，使巷道維護(hù)更加困難，同時(shí)也會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。因此，煤柱寬度存在一個(gè)合理的范圍，可使沿空巷道既能處在穩(wěn)定的圍巖環(huán)境中，又能減少煤炭資源浪費(fèi)。

2.1 小煤柱寬度理論分析

根據(jù)麻家梁礦實(shí)際地質(zhì)條件，運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論，推導(dǎo)計(jì)算14204工作面回采后側(cè)向支承壓力分布情況和應(yīng)力降低區(qū)寬度，為14203-1工作面小煤柱巷道布置提供理論依據(jù)。其力學(xué)模型如圖3所示。

圖3中，M為煤層采厚，σx為水平應(yīng)力，σy為垂直應(yīng)力，σyl為垂直應(yīng)力峰值，τxy為煤層與巖層間剪應(yīng)力，x1為極限平衡區(qū)寬度，α為煤層傾角，Px為煤柱所受水平約束力。

圖3 煤柱極限平衡區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型Fig.3 Mechanicalmodel for calculating the width of the lim it equilibrium area of coal pillar

由于14203-1工作面煤層傾角平均為3°，為近水平煤層，因此力學(xué)模型中α可取0°，求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程及邊界條件［12-13］，可得極限平衡區(qū)寬度，即

式中：A為側(cè)壓系數(shù)，取1.26（文獻(xiàn)［14］地應(yīng)力實(shí)測(cè)）；φ0為內(nèi)摩擦角，取28°；C0為黏聚力，取2 MPa；Px為側(cè)向約束力，取0。

其中垂直應(yīng)力峰值

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.18（文獻(xiàn)［15］實(shí)測(cè)值）；γ為上覆巖層平均體積力，取0.025 MN／m3；H為巷道埋深，取606 m。

計(jì)算可得σyl＝33.03 MPa。

工作面平均采厚9.5 m，可計(jì)算側(cè)壓系數(shù)為1.26時(shí)，14204采空區(qū)所形成的極限平衡區(qū)寬度為19.0 m。

由文獻(xiàn)［16］可得，極限平衡區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力

式中：x為應(yīng)力降低區(qū)范圍，m；σy為原巖應(yīng)力，15.15 MPa。

由式（3）計(jì)算，可得x＝12.4，故14204采空區(qū)所產(chǎn)生的應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～12.4 m。

采空區(qū)穩(wěn)定后，應(yīng)力降低區(qū)寬度為0～12.4 m，考慮14203-1膠帶運(yùn)輸巷寬度為5 m，為了確保巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，小煤柱的最大寬度應(yīng)為7.4 m左右。

2.2 小煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

為了全面系統(tǒng)地了解14204采空區(qū)穩(wěn)定后的側(cè)向支承壓力分布特征，采用FLAC3D有限元計(jì)算軟件進(jìn)行相應(yīng)模擬，方案如下。

為減少模擬計(jì)算量，本次模擬以圖2中Ⅰ-Ⅰ剖面為數(shù)值模擬模型，模型共劃分為52 223個(gè)單元，模型尺寸為830 m（長(zhǎng)）×1 m（寬）×100 m（高）。邊界條件方面，在模型底部固定縱向位移，兩邊固定橫向位移。模型中加入分界面，模擬采空區(qū)垮落后頂板與底板的接觸情況，在頂部施加14.36 MPa的垂直應(yīng)力模擬上覆巖層自重。

模擬開(kāi)挖方案完全按照工作面實(shí)際開(kāi)采狀況進(jìn)行，初始應(yīng)力平衡后首先開(kāi)挖14202工作面，其次開(kāi)挖14204輔助運(yùn)輸巷，再次開(kāi)挖14204工作面，得到14203-1工作面運(yùn)輸和回風(fēng)巷掘進(jìn)前的開(kāi)采條件，最后分別開(kāi)挖14203原輔助運(yùn)輸巷、14203-1膠帶運(yùn)輸巷和14203-1輔助運(yùn)輸巷。在4號(hào)煤層頂布置測(cè)線，觀測(cè)14204工作面左側(cè)起110 m范圍內(nèi)的應(yīng)力變化狀況，每隔2 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖4。根據(jù)麻家梁礦具體地層情況對(duì)巖層賦予物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model

表1 各巖層主要力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of each stratum

通過(guò)模擬14204工作面開(kāi)挖，并對(duì)工作面（現(xiàn)采空區(qū)）左側(cè)110 m范圍內(nèi)煤層頂板的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，得到側(cè)向支承壓力曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，14204工作面回采后距離煤壁0～12 m內(nèi)支承壓力低于原巖應(yīng)力，與理論計(jì)算的12.2 m基本吻合，因此小煤柱最大寬度7 m左右較為合理。

圖5 側(cè)向支承壓力分布曲線Fig.5 Curve of lateral autment pressure distribution

3 小煤柱寬度確定

為更直觀地了解不同寬度條件下煤柱塑性破壞區(qū)分布和圍巖垂直應(yīng)力分布情況，對(duì)不同煤柱寬度進(jìn)行針對(duì)性模擬。

3.1 圍巖側(cè)向塑性區(qū)與煤柱寬度關(guān)系

圖6為14204工作面采空區(qū)穩(wěn)定后不同煤柱寬度下圍巖塑性區(qū)分布。當(dāng)煤柱寬度為3，5 m時(shí)，受14204工作面回采和巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響，煤柱內(nèi)部已全部塑性破壞；當(dāng)煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱依舊處于塑性破壞狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度為9，11 m時(shí)，煤柱內(nèi)部分別存在2，4 m左右的彈性區(qū)域，說(shuō)明煤柱寬度在超過(guò)某一臨界值后，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)的寬度會(huì)保持恒定，而彈性區(qū)寬度會(huì)隨著煤柱寬度的增加而遞增，顯然在此塑性區(qū)寬度的臨界值為7 m。

圖6 不同煤柱寬度塑性區(qū)破壞情況Fig.6 Plastic zone damage with different pillar width

由上述分析可知，當(dāng)煤柱寬度不超過(guò)7 m時(shí)，煤柱處于完全破壞狀態(tài)，此時(shí)煤柱承載能力小，有利于沿空巷道掘進(jìn)。當(dāng)煤柱寬度大于7 m后，隨著煤柱寬度增加，煤柱內(nèi)彈性區(qū)不斷增大，煤柱的承載能力變大，此時(shí)巷道掘進(jìn)會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)和回采時(shí)期巷道煤柱承壓，不利于巷道維護(hù)，同時(shí)浪費(fèi)資源。因此麻家梁14203-1膠帶運(yùn)輸巷小煤柱寬度最大可留設(shè)為7 m。

3.2 圍巖垂直應(yīng)力與煤柱寬度關(guān)系

圖7為14204工作面采空區(qū)穩(wěn)定后不同煤柱寬度下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況。

圖7 圍巖垂直應(yīng)力分布情況Fig.7 Vertical stress distribution of surrounding rock

當(dāng)煤柱寬度較小，如3 m時(shí)，受14204采空區(qū)影響在煤柱上產(chǎn)生應(yīng)力集中，煤柱中應(yīng)力分布級(jí)別差距不大。煤柱中部支承壓力較大，但區(qū)域范圍較小，只有1 m左右且低于原巖應(yīng)力。

隨著煤柱寬度進(jìn)一步增大（5～7 m），應(yīng)力分布情況與煤柱寬3 m時(shí)接近，區(qū)別在于，煤柱中應(yīng)力分布等級(jí)差距逐漸明顯，高應(yīng)力區(qū)域逐漸變大，所占比例也在逐步增大，但最大應(yīng)力依舊低于原巖應(yīng)力。煤柱寬度超過(guò)7 m（9～11 m）時(shí)，煤柱中部應(yīng)力已超過(guò)原巖應(yīng)力，并且隨著煤柱寬度增加，中部的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加大，高應(yīng)力區(qū)域也在逐漸增大。說(shuō)明受14204采空區(qū)影響，沿空掘巷的煤柱寬度有一個(gè)合理值，而這一合理值應(yīng)處在上述應(yīng)力均衡范圍內(nèi)，使沿空巷道處于工作面采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

確定合理煤柱寬度應(yīng)遵循以下原則：巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)；煤柱處于塑性破壞狀態(tài)；煤柱可以有效隔離采空區(qū)。鑒于此，通過(guò)煤柱塑性區(qū)和煤柱垂直應(yīng)力分析，考慮到麻家梁礦14204采空區(qū)遺留調(diào)車(chē)硐室的影響（遺留硐室深5 m，為隔絕采空區(qū)有害氣體），最終確定麻家梁14203-1膠帶運(yùn)輸巷小煤柱寬度為分析的最大值7 m。

4 工程應(yīng)用效果分析

14203-1膠帶運(yùn)輸巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面采用全錨索＋鋼帶＋鋼護(hù)板＋金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板采用φ21.8 mm×10 300 mm組合錨索支護(hù)，2×2交替布置，對(duì)角錨索分別為8 300 mm和6 300 mm，排距1 800 mm×900 mm。幫錨索規(guī)格為φ21.8 mm×4 300 mm，排距1 800 mm；巷幫下部采用1根φ22 mm×2 500 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿支護(hù)，如圖8所示。

圖8 支護(hù)參數(shù)斷面圖（單位：mm）Fig.8 Section diagram of gateway support（unit：mm）

為了驗(yàn)證7 m寬小煤柱設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)麻家梁礦14203-1膠帶運(yùn)輸巷進(jìn)行巷道表面位移觀測(cè)，掘進(jìn)期間分別在該巷道1 289，1 475，1 584，1 717，1 875 m處布置5組測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)結(jié)果表明，14203-1膠帶運(yùn)輸巷在掘進(jìn)期間兩幫變形量最大為340 mm，頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?25 mm，1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示，在此期間巷道維護(hù)狀況良好，未出現(xiàn)錨桿錨索失效、巷道片幫等問(wèn)題，說(shuō)明麻家梁礦在留設(shè)7 m小煤柱配合合理支護(hù)的情況下，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖9 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Monitoring data deformation of surrounding rock of gateway

5 結(jié)論

（1）理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析得出，麻家梁礦14203-1工作面沿空掘巷小煤柱合理留設(shè)寬度為7 m左右。

（2）煤柱寬度為7 m 時(shí)，煤柱處于彈性與塑性的交界狀態(tài)。此后隨著煤柱寬度增加，煤柱內(nèi)部彈性區(qū)寬度會(huì)隨之增加，而塑性區(qū)的寬度則保持恒定。

（3）隨著煤柱寬度增加，煤柱中應(yīng)力分布等級(jí)差距逐漸明顯，高應(yīng)力區(qū)域逐漸變大，所占比例也逐步增大，

（4）巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了麻家梁礦7 m小煤柱寬度的合理性。