大采高工作面回采巷道護巷煤柱合理寬度研究

崔廷鋒，張 魁，徐新斌

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

護巷煤柱寬度是礦井開拓和工作面回采的重要參數(shù)，護巷煤柱的穩(wěn)定性直接影響到巷道的使用效率和維護成本、工作面的正常生產(chǎn)和安全管理以及煤炭的采出率。對于回采巷道的護巷煤柱而言，其寬度越大，對巷道的穩(wěn)定性維護越有利，但會直接降低煤炭資源的采出率。這一矛盾在大采高工作面更值得關(guān)注。因此，兼顧巷道穩(wěn)定性維護和煤炭采出率，研究大采高工作面回采巷道護巷煤柱的確定方法顯得尤為重要。本文以康河煤礦6103大采高工作面為研究對象，通過理論計算和模擬分析，確定了護巷煤柱的合理寬度，為大采高工作面安全高效生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 工作面概況

康河煤礦6103工作面位于6#煤層，處于石炭系上統(tǒng)太原組第二巖段上部，工作面長度200 m，推進長度1500 m。6#煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤類單一，整個工作面煤層穩(wěn)定，平均厚度5.1 m；煤層傾角0°～3°，硬度系數(shù)f0=2.5，密度1.28 t/m3；煤層埋深180～220 m。直接頂和直接底均為砂質(zhì)泥巖，厚度分別是3 m和2.5 m，基本頂為粗砂巖，厚度10 m，基本底為粉砂巖，厚度6 m。工作面采用雙巷布置，如圖1所示。采高4.5 m，循環(huán)進尺0.85 m；工作面采用一次采全高采煤方法，全部垮落法頂板管理方式。

1—6103工作面；2—護巷煤柱；3—6103工作面運輸巷；4—6105工作面回風巷；5—聯(lián)絡(luò)巷

圖1 工作面巷道布置

2 理論計算

合理護巷煤柱設(shè)計是一個比較復(fù)雜的問題，它受開采深度、煤層厚度、巷道高度和煤巖層的力學性質(zhì)等諸多因素影響[1-2]，國內(nèi)外還沒有一種能適應(yīng)不同條件的完善的設(shè)計理論和方法。目前國內(nèi)外確定護巷煤柱寬度常用的理論計算方法主要有載荷估算法和塑性理論計算法三種。

2.1 載荷估算法

根據(jù)國內(nèi)外研究資料，護巷煤柱所承受的載荷是由煤柱上覆巖層重量及一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量引起的[3,4]，如圖2所示。

圖2 煤柱載荷計算示意圖

則煤柱上覆巖層的總載荷P為：

P=[(B+D)×H-0.25D2cotδ]γ

(1)

式中：B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，200 m；H為巷道埋深，取200 m；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角，30°；γ為上覆巖層平均體積力，根據(jù)地質(zhì)資料，取2.5×104kN/m3；

確定了煤柱上覆載荷，則煤柱單位面積的平均載荷，即平均應(yīng)力為：

(2)

煤柱的寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過它的極限強度R，極限強度R的計算公式為：

(3)

式中：R為煤柱強度，MPa；Rc為煤的單軸抗壓強度，25 MPa；h為煤柱高度，3.5 m；

則必須滿足有：

(4)

將各參數(shù)代入式(4)，計算得B1≥17.2 m。

2.2 塑性理論計算

護巷煤柱一側(cè)為回采空間，一側(cè)為采準巷道。回采空間和采準巷道在護巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性變形區(qū)[3-4]，塑性區(qū)的寬度分別為x0、x1，如圖3所示。

圖3 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

因此，護巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤層開采高度的2倍。目前，在護巷煤柱問題的研究中，煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度一般表示為：

B=x0+2M+x1

(5)

式中：B為煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度，m；x0為采空區(qū)在護巷煤柱一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m；M為采高，2M為彈性核寬度，m；x1為巷道在護巷煤柱另一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m。

運用巖體的極限平衡理論，采空區(qū)形成的塑性區(qū)寬度x0為：

(6)

將各參數(shù)代入式6，計算得x0=4.07 m。

同樣地，運用極限平衡理論，巷道形成的塑性區(qū)寬度x1為[5]：

(7)

將各參數(shù)代入式(7)，計算得x1=4.3 m。

將計算的x0、x1和采高M代入式5，計算得：B2=4.07+2×4.5+4.3=17.37 m

因此，通過以上兩種理論計算，護巷煤柱的寬度基本確定在18 m。

3 數(shù)值模擬計算

選取非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元數(shù)值計算軟件UDEC 3.0(Universal Distinct Element Code)進行數(shù)值模擬計算，分析不同寬度保護煤柱對回采巷道圍巖變形量的影響。

3.1 建立模型

根據(jù)地質(zhì)條件，簡化后建立平面模型，模型尺寸(寬×高)200 m×46.5 m，上邊界載荷按采深200 m計算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。煤體劃分為1 m×1.5 m塊體，直接頂劃分為1 m×2 m塊體，基本頂劃分為5 m×10 m的塊體，直接底劃分為1.25 m×4 m塊體，建立的數(shù)值計算模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬模型(單位：m)

回采巷道寬×高為5 m×3.5 m，塑料網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護，基本支護參數(shù)：頂部錨桿為Φ20 mm的高強度螺紋鋼錨桿，樹脂藥卷錨固，錨深2.15 m；頂部錨索為Φ15.24 mm的鋼絞線，錨固深度7 m；幫部錨桿為Φ18 mm的高強度螺紋鋼錨桿，樹脂藥卷錨固，錨深1.95 m。計算時考慮留設(shè)不同寬度的煤柱對回采巷道變形的影響，選取的煤柱寬度分別為6 m、10 m、14 m、16 m、18 m、20 m、22 m、26 m和30 m。數(shù)值模擬計算過程為：建立模型→原巖應(yīng)力計算→掘巷支護→應(yīng)力平衡→工作面回采→工作面采動影響計算。各巖層巖石力學參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

圖5為不同煤柱寬度下巷道的變形量繪制出的曲線，可以看出：總體關(guān)系是隨著煤柱寬度的增加，圍巖變形量逐漸減小。在煤柱寬度小于18 m區(qū)域，隨煤柱寬度的增加，圍巖變形量減小幅度較大；在煤柱寬度大于18 m區(qū)域，圍巖變形量隨

煤柱寬度增加也有所減小，但變化量很小，說明增大煤柱寬度對改進巷道支護效果影響不大，此時對巷道變形量起主導(dǎo)作用的是巷道的支護體系。考慮經(jīng)濟效益，確定護巷煤柱的寬度為18 m。

圖5 圍巖變形量與煤柱寬度關(guān)系曲線

4 工程實踐

通過理論計算和數(shù)值模擬，確定回采巷道護巷煤柱寬度為18 m。在康河煤礦6103工作面開采過程中，對寬度為18 m的煤柱的穩(wěn)定性進行了現(xiàn)場觀測，結(jié)果表明：巷道基本穩(wěn)定，未進行大的維護，圍巖變形量較小，能保證回采工作的安全進行。這說明煤柱的留設(shè)是合理、可行的，同時反映出理論計算及模擬結(jié)果與實際情況較吻合。

5 結(jié)語

大采高工作面回采巷道護巷煤柱穩(wěn)定性直接影響著巷道的維護效果，進而關(guān)系到工作面安全生產(chǎn)的進行。以康河煤礦6103大采高工作面為研究對象，通過載荷估算、塑性理論計算和數(shù)值模擬計算，得出了安全合理的護巷煤柱寬度，并通過現(xiàn)場實踐，論證了計算結(jié)果的準確性，從而為現(xiàn)場生產(chǎn)提供了技術(shù)支持，也為類似條件下大采高工作面護巷煤柱寬度的確定提供了理論依據(jù)。

[1] 賈光勝，康立軍. 綜放開采采準巷道護巷煤柱穩(wěn)定性研究[J]. 煤炭學報，2002(2)：6-10.

[2] 屠世浩，白慶升，屠洪盛. 淺埋煤層綜采面護巷煤柱尺寸和布置方案優(yōu)化[J]. 采礦與安全工程學報，2011，28(4)：505-510.

[3] 張科學. 深部煤層群沿空掘巷護巷煤柱合理寬度的確定[J]. 煤炭學報，2011，36(Z1)：28-35.

[4] 錢鳴高，石平五. 礦山壓力與巖層控制[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003. 197-199.

[5] 夏均民. 大采高綜采圍巖控制與支架適應(yīng)性研究[D].青島：山東科技大學，2004.