程宏波，田 野

(1.榆林市榆陽區(qū)白鷺煤礦，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

在礦井的正常生產(chǎn)過程中，工作面的接續(xù)是保證礦井生產(chǎn)的一個重要因素，因此回撤通道位置的選擇至關(guān)重要，不僅可以影響礦井煤炭資源的回收率，還會影響設(shè)備的回撤速度。在工作面接近末采階段，受到超前支承應(yīng)力的影響，需要在上山巷道、下山巷道與回撤通道之間留設(shè)一定的末采煤柱，若煤柱的尺寸留設(shè)過大，會導(dǎo)致資源的浪費，降低工作面的回采率，而過小的煤柱尺寸，則不利于回撤通道及上山巷道、下山大巷圍巖的穩(wěn)定性，會使回撤通道發(fā)生變形，不利于設(shè)備的正常回撤，同時造成了上山巷道、下山大巷處于超前支承應(yīng)力范圍內(nèi)，造成巷道大變形的礦壓顯現(xiàn)特征，因此合理地確定末采煤柱尺寸對礦井的安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要，煤柱留設(shè)尺寸的大小與煤柱強度、應(yīng)力大小等具有直接關(guān)系[1-5]。谷拴成等[6-8]提出了末采煤柱與回撤通道煤柱載荷轉(zhuǎn)移的力學(xué)機理，給出了載荷計算公式合理的確定了煤柱寬度；馬偉等[9]通過地應(yīng)力測量，確定了末采煤柱的合理尺寸；崔超[10]通過彈塑性力學(xué)理論與頂?shù)纂x層監(jiān)測相結(jié)合的方法，確定了工作面末采煤柱寬度；唐啟勝等[11]通過含斷層條件下超前支承應(yīng)力的分布特征，結(jié)合圍巖松動儀確定末采煤柱的寬度；牛宏偉等[12]分析了不同煤柱寬度下巷道圍巖特征，確定了末采煤柱合理寬度為90 m時，大巷不受工作面回采影響；王志堅[13]對超前支承應(yīng)力進(jìn)行計算，結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場實踐分析，對工作面末采煤柱進(jìn)行優(yōu)化，提高了煤炭的回采率。

以上研究均針對深埋煤層進(jìn)行研究，基于上述眾多學(xué)者的研究，本文針對淺埋深放頂煤開采末采煤柱的合理留設(shè)，通過建立力學(xué)模型，分析末采煤柱應(yīng)力分布及穩(wěn)定性，合理確定了串草圪旦煤礦末采煤柱的寬度，并結(jié)合數(shù)值模擬對煤柱的合理寬度進(jìn)行驗證，以及現(xiàn)場實踐，最大限度提高了資源的回收率，實現(xiàn)了礦井的安全高效生產(chǎn)，為同類型礦井末采煤柱留設(shè)提供借鑒。

1 地質(zhì)生產(chǎn)條件

串草圪旦煤礦的礦區(qū)地形總體趨勢是西北高，東南低，一般地形標(biāo)高在950～1 150 m之間，煤層平均埋深150 m。6102工作面位于一水平一帶區(qū)6煤層，煤層厚度10.80～15.70 m，平均厚12.90 m，末采煤柱留設(shè)60 m，如圖1所示。老頂為淺灰色細(xì)砂巖，厚度18.31 m，直接頂為褐灰色粉砂巖，厚度為3.30 m，直接底為褐灰色粉砂巖，厚度為4.86 m，老底為灰色粗砂巖，厚度為8.80 m。

圖1 工作面巷道布置方式

2 煤柱寬度留設(shè)的理論分析

當(dāng)剩余煤柱寬度為w時，建立基本頂斷裂形式及對應(yīng)的力學(xué)分析模型如圖2所示，R1為幫部破碎區(qū)寬度，w0為煤柱應(yīng)力承載寬度，d為基本頂斷裂位置與非開采幫距離，h為采煤高度。在斷裂位置前方一定范圍內(nèi)，基本頂受上覆巖層自重及工作面采空區(qū)轉(zhuǎn)移荷載作用而形成應(yīng)力增高區(qū)，在該區(qū)域中基本頂受到集中系數(shù)為K的超前支承應(yīng)力q1(x)作用。在斷裂位置后方一定范圍內(nèi)，基本頂承受上部垮落帶巖層自重q2作用，對于淺埋煤層q2可以近似為上覆巖層重量。

圖2 煤柱力學(xué)分析模型

末采階段煤柱除受到上覆巖層P1的作用外，還受到回撤通道頂板及工作面頂板轉(zhuǎn)移荷載P2和P3的作用?；爻吠ǖ理敯蹇梢暈閮啥斯讨Я?，根據(jù)彈性力學(xué)[14]可得式(1)。

(1)

式中：q1(x)為斷裂前方超前支承應(yīng)力，kPa；t為傾向長度，取t=1 m；f1為工作阻力，kPa；w1為聯(lián)絡(luò)道寬度，m。

工作面頂板視為懸臂梁，與剩余煤柱固結(jié)，得式(2)。

(2)

式中：q2為斷裂后方支承應(yīng)力，kPa；f2為工作面支架工作阻力，kPa；w2為支架控頂距，m。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]對剩余煤柱受上覆巖層荷載進(jìn)行分析，可以將破斷后的基本頂對直接頂?shù)淖饔昧2、回聯(lián)絡(luò)巷支承力f1及工作面支架工作阻力f2視為均布力，得到煤柱總載荷，見式(3)。

(3)

煤柱兩幫出現(xiàn)破碎區(qū)，根據(jù)摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，可以求得破碎區(qū)寬度，見式(4)。

(4)

式中：c為煤體黏聚力，kPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；λ為側(cè)壓力系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]推導(dǎo)得到超前支承應(yīng)力分布，見式(5)。

(5)

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)；H為上覆巖層厚度，m；γ為上覆巖層平均重度，kN/m3；h為開采高度，m；N0為煤體殘余支承強度。

由于破碎區(qū)受到嚴(yán)重破壞，計算煤柱承載力時可忽略該區(qū)域貢獻(xiàn)值，即煤柱上的平均應(yīng)力見式(6)。

(6)

根據(jù)比涅烏斯基公式計算煤柱強度，見式(7)。

(7)

式中：σp為煤柱強度；σ1為立方體煤樣單軸抗壓強度。

令σa=σp，可以解出煤柱保持穩(wěn)定性的臨界寬度w。通過式(3)～式(7)可求得末采煤柱寬度的下限寬度。將參數(shù)：K=2.5、t=1、H=150 m、h=3.6 m、f=0.6、d=10.5 m、γ=0.025 MN/m3、f1=0.6 MPa、f2=0 MPa、W1=5.5 m、W2=5 m、β=3.3、σc=6.9 MPa、φ=29°代入式(3)～式(7)可計算得到w1=15.00 m。

末采煤柱寬度的上限寬度計算見式(8)。

w2=R1+2M+R2

(8)

式中，M為煤層厚度。取M=12.9 m，可得w2=32.54 m。

綜上所述，末采煤柱寬度的上下限寬度在15.00～32.54 m之間。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 模型建立

基于串草圪旦煤礦6102工作面的地質(zhì)條件，合并巖性相近的巖層，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對串草圪旦煤礦6102工作面進(jìn)行模擬，如圖3所示。模型尺寸長×寬×高=380 m×150 m×100 m。上部邊界施加近似等效均布載荷，四周邊界施加水平約束，下部邊界固定，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，上邊界施加載荷3.75 MPa模擬上覆巖重，巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值計算模型

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬分析

圖4和圖5為工作面開采過程中工作面在不同位置時的超前應(yīng)力分布，分析了采煤工作面超前支承應(yīng)力的影響范圍。

圖4 工作面回采至不同位置的應(yīng)力分布

由圖4和圖5可知，在工作面開采過程中，工作面的超前支承應(yīng)力的范圍在35 m左右，當(dāng)工作面距主輔聯(lián)絡(luò)巷的距離小于35 m時，超前支承應(yīng)力開始波及聯(lián)絡(luò)巷。但對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響較小，可以進(jìn)一步縮小末采煤柱的寬度，提高礦井的回采率。

圖5 工作面回采至不同位置的應(yīng)力

依據(jù)末采煤柱的上下限寬度，模擬末采煤柱寬度分別為30.0 m、25.0 m、22.5 m、20.0 m和15.0 m等5種方案，其應(yīng)力分布如圖6和圖7所示。

圖6 不同煤柱寬度的應(yīng)力分布

圖7 不同煤柱寬度的應(yīng)力

由圖6和圖7可知，隨著煤柱寬度的縮小，工作面前方的超前支承應(yīng)力開始逐漸接近聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷側(cè)的峰值應(yīng)力與工作面前方的峰值應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)通的形式。隨著煤柱寬度的縮小，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力開始升高。煤柱寬度大于22.5 m時，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布形式為半馬鞍形；煤柱寬度小于22.5 m時，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布形式為單峰值分布。

煤柱寬度分別為30.0 m、25.0 m、22.5 m、20.0 m和15.0 m時，塑性區(qū)分布如圖8所示。由圖8可知，隨著煤柱寬度的縮小，煤柱內(nèi)的塑性區(qū)寬度不斷增大，彈性核區(qū)不斷減少，當(dāng)煤柱寬度為15.0 m時，塑性區(qū)貫通煤柱。

圖8 不同煤柱寬度的塑性區(qū)分布

綜合分析工作面超前支承應(yīng)力范圍、煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布，當(dāng)煤柱寬為22.5 m時，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布形式為半馬鞍狀分布形式，工作面的超前支承應(yīng)力對聯(lián)絡(luò)巷的影響較小，且煤柱內(nèi)有寬度10 m左右的彈性核區(qū)，可保證煤柱的穩(wěn)定性和阻止采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌入聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 圍巖收斂分析

為了保證大巷在工作面回采期間的穩(wěn)定性和安全性，最終確定6102工作面末采煤柱的寬度為23 m，三條大巷的頂板均采用錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+噴漿的聯(lián)合支護技術(shù)，兩幫采用的錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴漿的聯(lián)合支護技術(shù)，為了驗證末采煤柱留設(shè)的合理性，在距采空區(qū)側(cè)的運輸大巷布置三個測點，測點的布置如圖9所示。

圖9 主運大巷測點布置圖

當(dāng)工作面距主運大巷為60 m范圍時，對大巷的圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖10所示。圖10(a)為伴隨工作面的回采，主運大巷頂?shù)装宓膰鷰r變形量，從圖10(a)可以看出，測點1和測點2受工作面回采的影響較大，頂?shù)装宓淖冃瘟窟_(dá)到了40 mm左右；而測點3受工作面回采的影響相對較小，頂?shù)装遄冃瘟吭? mm左右。圖10(b)為主運大巷兩幫的圍巖變形量，從圖10(b)可以看出，測點1和測點2受工作面回采的影響較大，兩幫的變形量達(dá)到了30 mm左右；而測點3受工作面回采的影響相對較小，兩幫的變形量在3 mm左右。整體而言，圍巖的變形量相對較小，可以滿足礦井的安全生產(chǎn)。

圖10 主運大巷圍巖移近監(jiān)測

4.2 經(jīng)濟效益分析

6102工作面長度為150 m，煤層厚度為12.9 m，末采煤層由60 m降低為23 m時，取煤體密度1.35 t/m3，則末采煤炭損失量將減少9.66萬t，按照噸煤售價1 000元計算，將為礦井增收9 665萬元，將提高礦井的回采率及經(jīng)濟效益，緩解采掘接替緊張的問題。

5 結(jié) 論

1)建立了末采煤柱力學(xué)模型，推導(dǎo)得出了末采煤柱寬度留設(shè)的理論公式，根據(jù)現(xiàn)場實際條件，確定了煤柱的上下限在15.00～32.54 m之間。

2)結(jié)合數(shù)值模擬分析，最終確定末采煤柱的寬度為23 m，較之前的60 m減少了37 m，提高了工作面回采率，經(jīng)濟效益顯著。

3)經(jīng)過現(xiàn)場圍巖變形檢測結(jié)果表明，工作面回采期間，主運大巷變形量較小，巷道穩(wěn)定后的最大變形量在40 mm左右，巷道穩(wěn)定性較好。