梁國偉

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司）

近年來，隨著煤礦開采技術(shù)的提高，我國煤礦開采速度與質(zhì)量顯著提升。寧武煤田5#煤層工作面屬于大傾角綜放工作面。在經(jīng)過基本頂初次垮落后，隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面上覆巖層經(jīng)歷“懸露—斷裂—轉(zhuǎn)動—下沉觸矸”的周期性斷裂過程。周而復(fù)始的周期破斷將伴隨整個工作面回采過程，造成工作面不同位置礦壓顯現(xiàn)頻繁。煤巖開采過程中，留設(shè)煤柱可以有效保護(hù)構(gòu)筑物、鐵路、水體及主要井巷等不受地下開采的有害影響［1-6］。因此，結(jié)合開采工作面實(shí)際情況，對寧武煤田5#煤層工作面煤柱留設(shè)的合理寬度進(jìn)行研究，對保證巷道圍巖穩(wěn)定性、提高開采安全性具有重要意義。

1 頂?shù)装迤茐姆秶?/h2>

汾源煤業(yè)5#煤層的底板巖石為泥巖，頂板為泥質(zhì)灰?guī)r，使用經(jīng)驗(yàn)公式確定5#煤層底板破壞深度：

式中，H為工作面底板破壞深度，m；L為工作面傾斜長度，取100 m。

最大底板破壞深度與工作面的傾斜長度呈一元線性關(guān)系，由此可得5-101工作面的最大底板破壞深度為11.7 m。

鑒于實(shí)際開采條件，工作面設(shè)計采用傾斜—圓弧過渡—水平布置方式，控制設(shè)備下滑。運(yùn)輸順槽沿煤層頂板掘進(jìn)，回風(fēng)順槽沿煤層底板破底掘進(jìn)。根據(jù)煤巖物理力學(xué)測試結(jié)果，利用FLAC3D數(shù)值模擬，對上述工作面布置情況下區(qū)段煤柱的合理尺寸進(jìn)行確定。

選擇5-101工作面為背景，建立數(shù)值計算模型，煤層及其頂?shù)装鍘r層厚度均參考礦方鉆孔柱狀圖顯示的平均厚度確定，模型模擬高度為124 m，其中模擬頂板厚度為74.5 m，底板厚度為42 m，煤層平均厚度為10.5 m，采高按照2.6 m考慮，放煤高度為7.9 m；模型傾向長度為105 m，走向推進(jìn)長度為150 m，煤層傾角取5-101工作面最大傾角28°，所建立模型如圖1所示，垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

分別模擬了工作面沿走向推進(jìn)16，32，48，64，80和96 m情況下，工作面沿傾斜方向頂?shù)装迤茐母叨龋ㄉ疃龋?，得到如圖3所示的模擬結(jié)果。

分析圖3可知，沿工作面走向方向，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為16 m時，頂煤及5 m的頂板巖層發(fā)生拉伸破壞，剪切破壞高度約為23 m；底板拉伸破壞深度為6.6 m，剪切破壞深度為20 m。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為32 m時，除頂煤外，還有16 m的頂板巖層發(fā)生拉伸破壞，剪切破壞高度為22 m；底板拉伸破壞深度為6.6m，剪切破壞深度為20 m。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為48 m時，頂板拉伸破壞范圍增加到25 m，剪切破壞范圍繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大；底板拉伸破壞深度為6.6 m，剪切破壞深度為20 m。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為64 m時，頂板拉伸破壞范圍增加到27 m，剪切破壞范圍為29 m；底板拉伸破壞深度為6.6 m，剪切破壞深度為20 m。

根據(jù)以上模擬分析，可知5#煤層綜放開采條件下底板破壞深度為6.6 m，為了降低下工作面上順槽的掘進(jìn)難度和維護(hù)成本，考慮1.5倍的安全系數(shù)，設(shè)計下工作面上順槽應(yīng)布置在距離上工作面下順槽垂深10 m的位置，考慮煤層傾角為30°的影響，則區(qū)段煤柱斜長為20 m。根據(jù)5-101礦壓分析結(jié)果可知，由于工作面矸石的滾落充填作用，大傾角綜放工作面整體礦壓顯現(xiàn)較小，下工作面掘進(jìn)受上工作面的動壓影響相對較小，因此設(shè)計區(qū)段煤柱斜長25 m是安全可靠的。

2 煤柱寬度理論計算分析

回采與開掘巷道在煤柱邊緣處的集中應(yīng)力比自重應(yīng)力（γH）大數(shù)倍。對一次采全厚的綜放工作面護(hù)巷煤柱，彈性核的寬度取2倍巷道高度（h）。所以綜放工作面區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度（B）只要保證B≥R0+2h+R（R0、R分別為煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度，m；h為巷道高度，m），即可保證護(hù)巷煤柱穩(wěn)定。

回采工作面推進(jìn)后，采煤工作面周邊煤柱體應(yīng)力重新分布。根據(jù)極限平衡理論可求得回采工作面周邊煤體的塑性區(qū)寬度R0為

式中，M為煤層開采厚度，m；λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/（1-μ），μ為泊松比，λ=0.22/（1-0.22）=0.282；φ0為煤體交界面內(nèi)摩擦角，取26.84°；C0為煤體交界面黏聚力，取0.73 MPa；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，按1.5進(jìn)行計算；H為開采深度，按400 m考慮；γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3。

故可以求出回采引起的塑性區(qū)寬度為R0=9.3m。B≥R0+2h+R=25.6 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬分析

各巖層根據(jù)T3鉆孔柱狀圖建立，把相近的巖層合并考慮。模擬過程中，底板厚度為60 m。煤層厚度為10.5 m，煤層傾角為35°。模型上部巖層厚度為300 m。按照等效載荷代替：

式中，H為煤層上方煤巖層的厚度，取220 m；ρ為相應(yīng)的煤巖層密度，取平均2 500 kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

模型立面和底面均采用豎向固定約束。煤巖層物理力學(xué)性能參數(shù)由試驗(yàn)測定，所建立模型和應(yīng)力平衡如圖4所示。

區(qū)段煤柱留設(shè)寬度分別為15，20，25，30，35和40 m。區(qū)段煤柱的破壞狀態(tài)見圖5，區(qū)段煤柱應(yīng)力分布情況見圖6。

從圖6可見，受工作面傾角影響，煤柱兩側(cè)內(nèi)部塑性區(qū)破壞范圍下側(cè)達(dá)到10 m左右，上側(cè)達(dá)到6 m左右，至煤柱寬度為20 m時，塑性破壞區(qū)已經(jīng)能夠連 通，煤柱繼續(xù)減小時，塑性破壞導(dǎo)致的煤壁變形急劇增加。從破壞區(qū)域來看，25 m煤柱尚有部分未產(chǎn)生塑性破壞區(qū)域，區(qū)段煤柱在下一個工作面回采前能夠保持相對完好，不會快速破壞失效。綜合考慮，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)大于25 m為宜。

從圖6可見，2個工作面均回采后，隨區(qū)段煤柱的減小，煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中從雙峰狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏鍫睿?5 m時成為明顯單峰狀，20 m時由于破壞嚴(yán)重，單峰應(yīng)力集中呈降低趨勢。

理論計算的煤柱留設(shè)寬度為25.6 m，綜合頂?shù)装迤茐囊?guī)律及礦壓分析的結(jié)果，區(qū)段煤柱應(yīng)力狀態(tài)主要受頂?shù)装鍘r石及工作面長度影響，故取數(shù)值模擬結(jié)果。

綜上分析可知，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度應(yīng)大于20 m，以不小于25 m為宜。

4 電磁波CT測試

地下電磁波法層析技術(shù)（CT）分析測試區(qū)域不同范圍的電磁波衰減系數(shù)差異，識別煤巖體分界、斷層、火成巖侵入、溶洞等特殊構(gòu)造。

4.1 探測設(shè)備

探測設(shè)備選用JW－6型地下高頻電磁波CT系統(tǒng)，設(shè)備組件主要包括處理軟件、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、天線，安裝桿。設(shè)備由中國地質(zhì)科學(xué)院物化探研究所研發(fā)制造。

4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

JW-6型地下電磁波CT系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）掃頻范圍：0.5～32 MHz。

（2）掃頻間隔：0.1～9.9 MHz。

（3）發(fā)射機(jī)輸出脈沖功率：10 W。

（4）接收機(jī)測量范圍：0.2μV～30 mV。

（5）接收機(jī)輸入噪聲電平：＜0.2μV。

（6）接收機(jī)測量誤差：-120～（-30±3）dB。

4.3 布孔方案

由于煤層位于5-1011巷下方，故在5-1012巷外側(cè)對煤柱進(jìn)行電磁波CT測試，共施工3個探測鉆孔，孔深10 m，鉆孔間距10 m，1號孔位于工作面位置，具體布置如圖7。

4.4 測試

測試分2次進(jìn)行，第一次以1#孔為發(fā)射孔，2#孔為接收孔。第二次以2#孔為發(fā)射孔，3#孔為接收孔。探測了從工作面先前20 m范圍內(nèi)煤體電磁波的衰減系數(shù)情況，如圖8所示。

根據(jù)圖8所示，鉆孔深度0～4 m，電磁波衰減系數(shù)為10～17 dB/m，為電磁波衰減異常區(qū)，該區(qū)域內(nèi)由于應(yīng)力集中導(dǎo)致煤體發(fā)生屈服。破碎后，其內(nèi)部形成大量裂隙，說明煤體0～4 m范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了煤體破壞現(xiàn)象。 鉆孔深度4～8 m，電磁波衰減系數(shù)為6～10 dB/m，該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中程度較外側(cè)低，煤體出現(xiàn)了塑性變形，內(nèi)部開始出現(xiàn)裂隙，但整體性未受到破壞，仍具有承載能力。

鉆孔深度8～10 m，電磁波衰減系數(shù)為3～5 dB/m，為電磁波衰減系數(shù)正常區(qū)域，說明煤體8 m范圍內(nèi)仍處于原始狀態(tài)，其應(yīng)力集中程度未破壞煤體，煤體較為完整。

綜上，電磁波CT探測結(jié)果顯示，煤柱表面至8 m深度范圍內(nèi)為煤柱出現(xiàn)塑性及破壞變形的區(qū)域，理論上煤柱寬度為16 m即可保證煤柱的穩(wěn)定性，但實(shí)際生產(chǎn)中為確保煤柱的穩(wěn)定性，其中心部分保持穩(wěn)定的部分應(yīng)大于等于其塑性變形區(qū)域，故煤柱的合理寬度定為25 m。

5 結(jié)論

本研究基于5-101工作面礦壓分析，經(jīng)理論計算、數(shù)值模擬綜合分析及電磁波CT探測，確定汾源煤業(yè)首采區(qū)南翼及2采區(qū)區(qū)段煤柱留設(shè)寬度以不小于25 m為宜。