吳 吟

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院軌道交通學(xué)院，福建 福州 350009）

隨著煤礦的開(kāi)采向深部發(fā)展，煤炭的儲(chǔ)層條件復(fù)雜化，傾斜煤層成為很多煤礦中常見(jiàn)的分布方式。目前，很多傾斜煤層開(kāi)采中仍采用寬煤柱護(hù)巷，造成了煤炭資源的極大浪費(fèi)，且傾斜煤層開(kāi)采中因存在巖層傾斜對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力的順層誘導(dǎo)，易誘發(fā)沿空留巷護(hù)巷煤柱應(yīng)力集中、沖擊地壓、變形嚴(yán)重等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅巷道安全[1-4]。

針對(duì)沿空留巷護(hù)巷煤柱的留設(shè)寬度、應(yīng)力變化特征及相應(yīng)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、非均勻變形機(jī)理、頂板斷裂模式、護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度計(jì)算模型、非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)等[5-11]進(jìn)行了大量研究。具體的，陳新忠[5]等基于力學(xué)理論分析，構(gòu)建了沿空留巷力學(xué)模型，分析了主要影響因素；陳正拜等[6]基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了沿空留巷窄煤柱非均勻、非對(duì)稱變形機(jī)制，闡述了各主要影響因素的影響機(jī)理；李季、陳建強(qiáng)、張煒等[7-9][11]提出了沿空留巷直接頂煤巖層的3 種基本斷裂形式和出現(xiàn)各形式斷裂的基本條件和工況。此外，目前的研究對(duì)象主要集中在水平煤層及大傾角煤層兩種地層特征下的沿空留巷的圍巖穩(wěn)定性及窄煤柱寬度計(jì)算模型方面，而針對(duì)緩傾厚煤層沿空留巷護(hù)巷窄煤柱寬度計(jì)算模型的研究較少。

以義橋煤礦6#煤層回采巷為工程背景，建立了緩傾斜煤層沿空留巷護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算模型，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 工程概況

義橋煤礦位于濟(jì)寧市汶上縣境內(nèi)，礦內(nèi)煤巖層整體呈緩傾斜狀態(tài)，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單為主，可采煤層為2#、3#和6#煤層，局部夾矸，均為穩(wěn)定厚煤層。2#煤層已基本開(kāi)采完畢，現(xiàn)開(kāi)采煤層為3#、6#煤層。6#煤層埋深近400 m，平均煤厚6.0 m，煤層平均傾角15°。直接頂、基本頂、直接底和基本底的厚度、普氏硬度系數(shù)及巖層描述見(jiàn)表1，煤層及直接頂、底板各巖層強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表2，計(jì)劃采取窄煤柱護(hù)巷方案進(jìn)行開(kāi)采。在上位煤層2#、3#煤層開(kāi)挖過(guò)程中沿空留巷大多采用寬護(hù)巷，巷道由于受傾斜煤巖層應(yīng)力順層誘導(dǎo)和上覆巖應(yīng)力集中的影響，巷道掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)大量非對(duì)稱破壞現(xiàn)象。

表1 煤巖層信息描述

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2 緩傾煤層沿空留巷煤柱寬度計(jì)算與分析方法

為探究緩傾煤層沿空留巷窄煤柱寬度的計(jì)算方法，以義橋煤礦6#煤層為背景，建立緩傾厚煤層沿空留巷護(hù)巷窄煤柱力學(xué)模型，以此計(jì)算窄煤柱寬度，并基于FLAC3D數(shù)值模型對(duì)比分析和驗(yàn)證了力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果的合理性。

2.1 煤柱寬度計(jì)算方法

在緩傾斜厚煤層開(kāi)采與沿空留巷掘進(jìn)過(guò)程中，煤巖層原有平衡狀態(tài)被打破，沿空留巷窄煤柱主要受堆積煤矸及浮煤側(cè)壓力q2以及上部荷載產(chǎn)生的支承壓力q1作用。為計(jì)算緩傾斜煤層沿空留巷護(hù)壁窄煤柱的寬度，做如下假設(shè)[12]：

1）假設(shè)煤體為連續(xù)介質(zhì)；

2）以處于極限強(qiáng)度范圍煤體作為載體，可簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行分析；

3）煤體破壞滿足摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，模式為剪切破壞。

據(jù)此，建立圖1 所示緩傾斜煤層沿空留巷力學(xué)模型。圖中，q1為緩傾斜煤體的支承壓力，MPa；q2為堆積煤矸及浮煤的側(cè)壓力，MPa；θ為關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)角，（°）；α為煤層的傾角，（°）；τxy為煤-巖層界面處的剪應(yīng)力，MPa；X0為采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)支承壓力峰值位置至窄煤柱采空側(cè)煤壁的距離，m；x為煤柱寬度，m。煤巖層屈服界面平衡方程如下：

圖1 護(hù)巷窄煤柱力學(xué)模型示意圖

式中：VX和VY分別為X和Y方向處于極限平衡狀態(tài)區(qū)煤巖體的體積力，MPa；C0為煤-巖層界面的黏聚力，MPa。

由此，護(hù)巷煤柱（極限平衡狀態(tài)區(qū)內(nèi)）任意一點(diǎn)的應(yīng)力求解公式如下：

式中：m為煤層的厚度，取6.0 m；γ為上覆巖層的容重，取20 kN/m3；φ為煤-巖界面的內(nèi)摩擦角，取15°；C0為煤-巖界面的黏結(jié)力，取3.0 MPa；Px為煤幫的支護(hù)阻力，取0.3 MPa；A為側(cè)壓系數(shù)（極限強(qiáng)度面），取0.32；K為支承壓力的集中系數(shù)（側(cè)向），取2.5；k為護(hù)壁窄煤柱的最小寬度安全性系數(shù)，取1.2。

由此可知，緩傾斜煤層巷道護(hù)壁窄煤柱支承壓力峰值至采空區(qū)側(cè)煤壁的水平距離：

式中：H為沿空留巷的埋深，取450 m。

根據(jù)巷道兩幫應(yīng)力分布特征和極限平衡理論，巷道護(hù)壁窄煤柱合理寬度x計(jì)算表達(dá)式如下[13]：

式中：Z1為回采工作面在沿空留巷護(hù)壁窄煤柱內(nèi)產(chǎn)生的破碎區(qū)寬度，由式（5）可知，計(jì)算式為；Z2為沿空留巷護(hù)壁窄煤柱巷道一側(cè)錨桿的有效長(zhǎng)度，此處取1.40 m；Z3為考慮煤層厚度的穩(wěn)定系數(shù)增量，由Z3=0.2（Z1+Z2）計(jì)算。

將上述參數(shù)帶入式（5）、（6），可得出Z1=2.13 m，緩傾斜煤層巷道護(hù)壁窄煤柱寬度x=4.24 m。

2.2 數(shù)值模擬方案

為驗(yàn)證緩傾厚煤層沿空留巷護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算的可靠性，考慮模型邊界效應(yīng)，基于FLAC3D數(shù)值軟件，根據(jù)實(shí)際地層結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力條件和開(kāi)采工況，采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行分析，建立了煤柱寬度為3 m、4 m 和5 m 的15°傾角6 m 厚煤層沿空留巷數(shù)值模型，見(jiàn)圖2。模型長(zhǎng)×寬×高分別為220 m×40 m×150 m，沿空留巷鄰近開(kāi)采區(qū)寬度80 m，巷道斷面形狀為斜頂梯形，巷道寬度4.5 m，巷道短幫高度3.8 m。模型計(jì)算過(guò)程中，對(duì)模型左、右、底邊界施加法向位移約束，上邊界為應(yīng)力邊界，即施加上覆巖層自重?fù)Q算（取上覆巖層平均密度為2250 kg/m3，巷道平均埋深450 m）的均布荷載后進(jìn)行初始平衡計(jì)算，側(cè)壓力系數(shù)取值為0.7。

圖2 不同煤柱寬度的緩傾厚煤層沿空留巷數(shù)值模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與驗(yàn)證

本節(jié)展示了不同寬度煤柱下緩傾斜煤層巖空留巷附近圍巖的垂直應(yīng)力分布、水平應(yīng)力分布云圖和塑性區(qū)分布圖，如圖3、圖4。

圖3 不同煤柱寬度的緩傾厚煤層沿空留巷應(yīng)力分布圖

圖4 不同煤柱寬度的緩傾厚煤層沿空留巷塑性區(qū)分布圖

對(duì)比圖3（a）～（c），留設(shè)煤柱寬度不同，沿空留巷左、右兩幫應(yīng)力向頂、底板和巷道實(shí)體煤側(cè)（左側(cè)）轉(zhuǎn)移，頂、底板和巷道實(shí)體煤側(cè)出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中區(qū)；留設(shè)煤柱寬度增大，煤柱垂直應(yīng)力完成了拉壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換和由對(duì)稱型向非對(duì)稱偏載型的轉(zhuǎn)換。此外，從垂直應(yīng)力上看，隨著煤柱寬度增大，沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力整體與鄰近采空區(qū)頂板一體受力。當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱受拉應(yīng)力作用，但隨著煤柱寬度增大逐漸由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，即煤柱邊沿拉應(yīng)力值減小，煤柱柱心位置出現(xiàn)低拉應(yīng)力區(qū)；煤柱寬度≥4 m 時(shí)，煤柱范圍內(nèi)垂直應(yīng)力出現(xiàn)壓應(yīng)力特征，同時(shí)巷道左幫表層圍巖承受較小拉應(yīng)力，隨著深度增大則逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)。對(duì)比圖3（d）～（e）可發(fā)現(xiàn)，沿空留巷周圍水平應(yīng)力呈現(xiàn)小拉應(yīng)力態(tài)勢(shì)，煤柱頂、底端的水平應(yīng)力大于中部的水平壓力，隨著煤柱寬度增大，水平應(yīng)力拉應(yīng)力區(qū)在煤柱上的分布范圍減小，壓應(yīng)力區(qū)分布范圍增大。此外，隨著沿空留巷窄煤柱寬度的增大，煤柱頂、底端的水平應(yīng)力分布變得更加均勻，煤柱底部水平應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，數(shù)值上煤柱底部水平應(yīng)力應(yīng)力差的變化幅度大于頂部，且煤柱水平應(yīng)力分布呈現(xiàn)由下向上先減小后增大的趨勢(shì)，大致規(guī)律是煤柱下部三分之一段水平應(yīng)力由下向上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，煤柱中部三分之一水平應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，煤柱處于小水平應(yīng)力狀態(tài)，煤柱上部三分之一水平應(yīng)力由下向上則呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

由圖4 可知，沿空留巷左幫塑性區(qū)深度較大，當(dāng)煤柱寬度為3 m、4 m 和5 m 時(shí)，巷道左幫塑性區(qū)深度為10.0 m、9.4 m 和9.6 m。煤柱的破壞模式為剪切與拉伸混合破壞模式。從塑性區(qū)分布上看，當(dāng)煤柱寬度為4 m 時(shí)，煤柱頂部頂板巖層的塑性區(qū)范圍較??；當(dāng)煤柱寬度為5 m 時(shí)，采空區(qū)底板巖層出現(xiàn)了貫穿拉伸破壞區(qū)。其本質(zhì)是傾斜厚煤層采空區(qū)和沿空留巷的開(kāi)挖，破壞了煤巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，窄煤柱在上覆巖層壓力、采空區(qū)煤矸石側(cè)壓力以及傾斜煤-巖層界面誘導(dǎo)效應(yīng)的三重作用下，在巷道邊緣及其側(cè)幫與頂?shù)装遛D(zhuǎn)換區(qū)必然會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，這些應(yīng)力集中區(qū)域是煤柱發(fā)生破碎的關(guān)鍵區(qū)域，加之煤層傾斜對(duì)應(yīng)力有誘導(dǎo)作用，煤柱內(nèi)塑性區(qū)面積必然隨煤柱寬度增大而增大，煤柱兩側(cè)在拉剪作用下發(fā)生破壞。

傾斜煤層開(kāi)采中，采用寬煤柱護(hù)巷造成資源浪費(fèi)是共識(shí)，但采用窄煤柱護(hù)巷也有很多問(wèn)題值得進(jìn)一步關(guān)注和分析。從本質(zhì)上，沿空留巷護(hù)壁窄煤柱存在的目的是為煤礦開(kāi)采作業(yè)空間和運(yùn)輸通道，因此保障巷道凈空和巷道圍巖穩(wěn)定性是本質(zhì)目的，也是煤礦安全開(kāi)采的保障。綜合上述分析，在緩傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中，由于沿空留巷與鄰近采空區(qū)相比尺寸較小，加之一般情況下，煤層強(qiáng)度相對(duì)頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度較低，窄煤柱的豎向應(yīng)力承載能力也相對(duì)較低，導(dǎo)致在緩傾斜煤層開(kāi)采中沿空留巷煤柱較窄時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力受力呈現(xiàn)拉應(yīng)力，且隨著煤柱寬度增大逐漸轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，隨著煤柱寬度增大，壓應(yīng)力分布范圍和應(yīng)力值逐漸增大?？梢?jiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果分析一方面解釋了在緩傾斜厚煤層開(kāi)采過(guò)程中沿空留巷采用窄煤柱方案時(shí)巷道和煤柱附近圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力以及塑性區(qū)分布特征，另一方面驗(yàn)證了緩傾煤層沿空留巷煤柱寬度計(jì)算與分析方法的可靠性和合理性。從巷道圍巖穩(wěn)定性控制上看，煤柱出現(xiàn)過(guò)大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均是不安全的，而控制窄煤柱寬度則恰是避免二者出現(xiàn)的可行方式。從上述理論計(jì)算和數(shù)值模擬均可看出，當(dāng)煤柱寬度為4 m 左右時(shí)，緩傾斜煤層沿空留巷護(hù)巷窄煤柱的安全性較高，此寬度下可有效避免煤柱承載過(guò)大，將豎向壓力向巷道實(shí)體煤側(cè)誘導(dǎo)，同時(shí)又達(dá)到了減小巷道頂板拉伸破壞的目的。義橋煤礦6011 巷道采用了本文所提出的窄煤柱護(hù)巷方案，巷道寬度4.5 m，斷面形式為斜頂梯形，巷道短幫高度3.8 m，巷道頂板為6#煤層直接頂，窄煤柱寬度4 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反饋，該巷道使用期間圍巖未出現(xiàn)大面積片幫和嚴(yán)重變形現(xiàn)象，取得了較好的巷道圍巖變形控制效果，很好地保障巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

針對(duì)緩傾斜煤層沿空留巷護(hù)巷窄煤柱的合理留設(shè)寬度問(wèn)題，基于其力學(xué)模型分析，建立了緩傾煤層沿空留巷護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算模型，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得出以下主要結(jié)論：

1）緩傾斜厚煤層沿空留巷由于受傾斜煤巖層應(yīng)力順層誘導(dǎo)和上覆巖應(yīng)力集中的影響，巷道掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)大量非對(duì)稱破壞現(xiàn)象，沿空留巷窄煤柱主要受堆積煤矸及浮煤側(cè)壓力以及上部荷載產(chǎn)生的支承壓力作用。

2）根據(jù)應(yīng)力平衡與極限平衡推知，煤柱合理留設(shè)寬度與回采工作面在沿空留巷護(hù)壁窄煤柱內(nèi)產(chǎn)生的破碎區(qū)寬度、窄煤柱巷道側(cè)錨桿的有效長(zhǎng)度和煤層厚度的穩(wěn)定系數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)極限平衡狀態(tài)區(qū)內(nèi)煤柱應(yīng)力與煤層傾角和煤-巖層內(nèi)摩擦角正相關(guān)。

3）理論計(jì)算和數(shù)值模擬均表明，當(dāng)煤柱寬度為4 m 左右時(shí)，緩傾斜煤層沿空留巷護(hù)巷窄煤柱的安全性較高，此寬度下可有效避免煤柱承載過(guò)大，將豎向壓力向巷道實(shí)體煤側(cè)誘導(dǎo)，同時(shí)又達(dá)到了減小巷道頂板拉伸破壞的目的。