李景濤， 馬成甫， 張 闖， 任 強， 于鳳海， 計鵬舉， 周 凱

(1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司， 內蒙古 鄂爾多斯 014323； 2.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院， 山東 青島 266590)

0 引 言

大巷服務年限較長，其完整性對煤礦安全高效開采起到重要作用[1-3]。弱膠結軟巖的特殊性質導致頂板覆巖沉降程度與其他條件有較大差別，使得該條件下大巷保護煤柱的合理優(yōu)化至關重要。目前針對不同工況下大巷煤柱寬度研究較多。其中，張向陽等[4]針對巷道群影響下大巷煤柱寬度進行研究，結合采動效應提出合理煤柱寬度。文獻[5-9]對近距離煤層、厚煤層及綜放工作面等開采條件下大巷保護煤柱合理寬度也進行了深入研究。井慶歡等[10]對軟巖條件保護煤柱寬度選擇問題進行研究，提出結合軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)情況確定大巷合理煤柱寬度。蒙西地區(qū)礦區(qū)圍巖膠結性差，遇水易泥化，屬于典型弱膠結軟巖[11-12]，回采后覆巖沉降顯著，導致超前支承壓力變化明顯，對于該條件下大巷保護煤柱合理寬度研究相對較少，尤其是針對現(xiàn)場實測分析相對不足，大巷保護煤柱確定較為困難。

筆者以西部某礦區(qū)典型弱膠結軟巖工作面為工程背景，采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法初步設計大巷煤柱寬度范圍，建立數(shù)值模型對煤柱寬度進一步模擬，從而對弱膠結軟巖大巷保護煤柱寬度進行優(yōu)化。

1 工程地質概況

蒙西鄂爾多斯地區(qū)紅慶梁礦主采3-1煤層，一盤區(qū)中11303工作面寬度為275 m，走向長度約4 475 m。11303工作面、巷道與大巷位置關系如圖1所示。

圖1 11303工作面巷道位置與大巷關系示意Fig. 1 Schematic of relationship between roadway location and main roadway of 11303 working face

11303工作面煤層厚度約3.0～5.6 m，頂板主要為砂質泥巖及礫巖層，底板主要分布砂質泥巖與粉砂巖，砂質泥巖單軸抗壓強度為15.35～25.71 MPa，頂?shù)装鍙姸鹊停z結性較差，遇水易泥化，屬于典型弱膠結軟巖。11303工作面末采階段頂?shù)装宸植记闆r如表1所示。

表1 11303工作面末采階段頂?shù)装宸植记闆r

弱膠結軟巖地層圍巖強度低，頂板巖層層位間膠結性差，受采動基本頂垮落后，易出現(xiàn)覆巖整體性回轉下沉直至地表，導致超前支承壓力影響程度對比其他工程地質條件出現(xiàn)明顯增加，對大巷保護煤柱穩(wěn)定性影響顯著，因此需要在煤柱寬度設計過程中著重考慮覆巖沉降影響。

2 保護煤柱合理寬度設計

2.1 設計原則

為保證大巷正常安全使用，大巷保護煤柱寬度設計時需要避開工作面回采超前支承壓力影響及大巷開挖后圍巖應力影響。弱膠結軟巖工作面上覆巖層沉降明顯，因此在該條件下大巷煤柱設計時不僅需避開工作面及巷道應力影響范圍，還需要考慮覆巖破斷下沉導致支承壓力顯著增加帶來的影響。

2.2 理論計算

工作面回采后超前煤體支承壓力重新分布，為保證大巷長時間穩(wěn)定，需要將大巷位置確定在超前支承壓力及大巷開挖應力影響范圍以外，如圖2a所示。若出現(xiàn)大巷煤柱寬度過小出現(xiàn)超前支承壓力與大巷開挖后應力影響區(qū)域相疊加，則此時煤柱寬度過小，可能影響到大巷正常使用。

通過上述分析可知，煤柱寬度范圍為

b=x1+x2+x3，

(1)

式中：b——煤柱寬度，m；

x1——采動影響支承壓力塑性區(qū)范圍，m；

x2——彈性區(qū)范圍，m；

x3——大巷開挖后應力影響范圍，m。

依據彈塑性力學分析，采動影響支承壓力影響塑性區(qū)范圍及彈性區(qū)范圍[13-14]分別為

(2)

(3)

式中：h——煤層厚度，取4 m；

φ——摩擦角，取26°；

K——最大應力集中系數(shù)，取2；

τ0——內聚力，取1.2 MPa；

β——側壓系數(shù)，取2.2；

f——煤層與頂?shù)装彘g的摩擦因數(shù)，取0.15；

H——煤層埋深，取480 m；

γ——覆巖平均容重，取25.48 kN/m3。

圖2 不同煤柱寬度煤體應力分布情況Fig. 2 Stress distribution of coal body with different pillar width

由于弱膠結軟巖頂板覆巖采動后沉降顯著，其對超前支承壓力影響較為明顯，因此在進行弱膠結軟巖支承壓力塑性區(qū)及彈性區(qū)計算時，需要考慮覆巖破斷因素，將式(2)及式(3)加入破斷影響系數(shù)后，支承壓力影響塑性區(qū)范圍x1及彈性區(qū)范圍x2修正為

(4)

(5)

式中，c——覆巖破斷影響系數(shù)，取1.05～1.15。

將煤巖具體參數(shù)代入式(4)和(5)，得x1=42.72 m，x2=23.38 m。

依據巖體力學可知，大巷圍巖應力影響區(qū)以6倍巷道斷面半徑計算，紅慶梁煤礦大巷尺寸為 5.4 m×3.6 m，按照巷道外接圓計算大巷圍巖應力影響范圍小于19.47 m，取x3為19.47 m。通過理論計算設計11303工作面大巷煤柱寬度為L=x1+x2+x3=85.57 m。

2.3 現(xiàn)場實測

大巷保護煤柱寬度的設計原則是要避開11303工作面超前支承壓力影響，除理論計算外，現(xiàn)場實測能夠更為準確獲取支承壓力分布規(guī)律。通過分析超前支承壓力分布規(guī)律及覆巖充分沉降后巷道宏觀礦壓顯現(xiàn)特征對大巷煤柱寬度進行設計。

2.3.1 超前支承壓力影響范圍實測確定

(1)超前支承壓力分布規(guī)律

針對11303工作面分別進行超前巷道支承壓力監(jiān)測，具體監(jiān)測手段為鉆孔應力監(jiān)測，具體監(jiān)測位置及結果如圖3所示。其中，與工作面距離為L。

圖3 回采過程中超前支承壓力現(xiàn)場監(jiān)測區(qū)域及結果Fig. 3 Field monitoring area and results of excess front bearing pressure in mining process

由圖3b可知，3-1煤工作面回采過程中，在距離工作面90 m時，鉆孔應力開始出現(xiàn)明顯增加，推斷超前支承壓力影響范圍為90 m。因此為避開超前支承壓力影響范圍，大巷煤柱寬度應大于90 m。

(2)超前巷道礦壓顯現(xiàn)特征

11301與11303工作面臨近巷道均在超前工作面不同位置出現(xiàn)不同程度礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，11301工作面巷道在超前96 m范圍內開始出現(xiàn)底板輕微開裂，表明自該處開始，巷道受到超前支承壓力影響，從而推斷11301工作面回采過程中超前支承壓力影響范圍達到96 m以上；11303工作面在回采過程中，超前工作面71 m回風巷道底鼓及頂沉程度明顯增加，巷道完整性差底鼓量最大可達800 mm以上，由此推斷超前支承壓力影響范圍大于71 m。

依據工作面超前支承壓力分布特征得出要避開超前支承壓力影響范圍，大巷煤柱寬度應大于90 m；通過超前巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律得到煤柱寬度應大于96 m，結合現(xiàn)場實測獲取大巷保護煤柱寬度應大于96 m。

2.3.2 覆巖沉降影響宏觀觀測

該礦3-1煤11301工作面已采完及覆巖已基本完成沉降，通過研究11301工作面完全沉降后煤柱留設寬度對巷道礦壓顯現(xiàn)影響將對后續(xù)工作面的停采位置選擇提供現(xiàn)場依據。

(1)現(xiàn)場觀測區(qū)域

為方便11301工作面快速回撤，在11301停采位置與輔運大巷間新掘11301撤架巷，11301停采線距離撤架巷111 m，具體觀測巷道與停采線位置關系如圖4所示。

圖4 11301停采線與超前巷道位置關系示意Fig. 4 Schematic of location relationship between 11301 stoping line and advance roadway

(2)宏觀礦壓顯現(xiàn)

11301工作面距離11301副撤架巷111 m，觀測時間距停采均已達25個月，此時覆巖沉降基本完成。具體現(xiàn)場觀測情況如圖5所示。

由圖5可知，11301撤架巷整體無明顯頂沉、底鼓等劇烈礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,幫部完整性較好,噴漿層大部分完好,頂板部分噴漿區(qū)域出現(xiàn)輕微開裂現(xiàn)象,巷道整體穩(wěn)定性較好,由此可見，當11301撤架巷與大巷護巷煤柱寬度為111 m時基本能夠保證覆巖充分沉降后的巷道穩(wěn)定。

圖5 11301撤架巷礦壓顯現(xiàn)情況Fig. 5 Ground pressure appearance of 11301 removal roadway

依據理論分析、現(xiàn)場超前支承壓力實測分別得到11303工作面大巷保護煤柱分別需大于85.57和96 m，通過對停采后25個月后巷道進行宏觀觀測得到當煤柱寬度為111 m時巷道完整性較好，因此考慮覆巖充分沉降后大巷保護煤柱寬度應大于96 m，具體煤柱寬度還需通過數(shù)值模擬進行優(yōu)化。

3 弱膠結軟巖大巷煤柱寬度優(yōu)化

3.1 數(shù)值模型建立

依據11303工作面末采區(qū)域工程地質條件建立模型，將模型底部及側面固定，在頂板施加垂直向下應力模擬上覆巖層影響。模型尺寸為320 m×300 m×52 m，采用庫倫摩爾模型，具體模型形狀如圖6所示。

圖6 數(shù)值模型Fig. 6 Numerical model

模型從底部向上共分為6層，分別為細砂巖、砂質泥巖、煤層、砂質泥巖、礫巖及細砂巖。頂?shù)装甯鲙r層及煤層的力學參數(shù)如表2所示。

表2 巖層物理力學參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結果分析

依據理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測得出煤柱寬度需大于96 m，因此確定4種停采模擬方案，即停采位置分別為距離3-1煤輔運大巷140、130、120及110 m。11303工作面回采至不同位置處煤柱應力分布及變形破壞情況及如圖7、8所示。

圖7 不同煤柱寬度破壞范圍及超前支承壓力影響范圍Fig. 7 Failure range of different coal pillar widths and influence range of advance abutment pressure

由圖7可知，11303工作面回采至距離3-1煤輔運大巷140、130、120及110 m時，超前塑性區(qū)最大范圍由21 m增加至24 m，最大破壞位置由11303工作面中部向11303回風側轉移。側向破壞范圍為25～30 m。超前支承壓力影響范圍從140 m煤柱的58 m逐漸增加至120 m煤柱的62 m；側向破壞范圍由140 m煤柱的25 m逐漸增加至110 m煤柱的30 m。

圖8 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布及破壞范圍結果Fig. 8 Plastic zone distribution and failure range results of different coal pillar width

大巷煤柱寬度由130 m減小到120 m時，超前、側向破壞區(qū)范圍及側向支承壓力應力集中系數(shù)增加不明顯，超期前支承壓力影響范圍減小程度較低，因此通過模擬結果將11303工作面與3-1煤輔運大巷煤柱寬度優(yōu)化為120 m。

4 結 論

(1)以西部紅慶梁礦11303工作面為研究對象，依據工程情況建立大巷煤柱力學模型，考慮弱膠結地層特性及覆巖破斷影響，通過理論計算獲取大巷煤柱寬度應大于85.57 m。

(2)依據現(xiàn)場鉆孔應力等監(jiān)測手段及超前巷道現(xiàn)場觀測獲取工作面超前支承壓力影響范圍大于96 m，通過對覆巖充分沉降后巷道礦壓顯現(xiàn)宏觀觀測獲取煤柱寬度為111 m時巷道能夠保持較好穩(wěn)定性。

(3)依據工作面末采階段建立數(shù)值模型，分別模擬不同煤柱寬度情況下煤體內部塑性分布，獲取超前及側向破壞范圍及超前支承壓力影響范圍。結果表明：隨煤柱寬度減少，煤柱內部塑性區(qū)范圍增加，在煤柱寬度減小至120 m后，塑性區(qū)及超前支承壓力降低不明顯，因此，大巷保護煤柱寬度優(yōu)化為120 m。