沿空掘巷煤柱合理寬度的確定＊

王洪明，朱川曲，付亞男，王洪亮

（1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201；2.中石油工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司， 河北 任丘市 062552）

0 引 言

沿空掘巷在國(guó)內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是沿上工作面采空區(qū)留設(shè)煤柱掘進(jìn)巷道［1－2］。沿空掘巷時(shí)，合理的煤柱寬度是沿空掘巷技術(shù)成敗的關(guān)鍵，加大煤柱寬度雖然可提高煤柱的承載能力，但煤柱留寬大，不僅要損失較多煤炭資源，而且也難以保證煤柱處在支承壓力帶影響范圍外；煤柱尺寸小，不僅煤柱的穩(wěn)定性差、承載能力低，而且巷道也難以維護(hù)。本文以貴州某礦21108回風(fēng)巷為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，分析不同煤柱寬度條件下，煤柱塑性區(qū)的分布情況，根據(jù)煤柱內(nèi)穩(wěn)定核區(qū)［3］的分布，確定合理的煤柱寬度。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

21108回風(fēng)巷道位于該礦21采區(qū)10＃煤層，標(biāo)高＋1345～＋1290m左右，工作面距地表垂深520～765m，煤層厚度為1.6～2.0m，煤層傾角7°～10°，粉粒狀，少量碎塊，半暗型，金屬光澤，含夾矸1～2層；直接頂為8m的中厚菱鐵質(zhì)粉砂巖與粉砂巖互層；底板為13.5m的灰色粉砂巖、細(xì)砂巖與菱鐵質(zhì)粉砂巖互層，21108回風(fēng)巷與相鄰的21106工作面運(yùn)巷之間留有5m寬的煤柱，巷道在開(kāi)挖后一個(gè)月內(nèi)變形量即達(dá)到了1000mm，上幫煤柱側(cè)變形破壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了該工作面的回采。

1.2 支護(hù)情況

21108回風(fēng)巷設(shè)計(jì)矩形斷面，巷道開(kāi)挖寬度5 m，高為3m，巷道斷面積為15m2，該巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索的支護(hù)形式，即金屬錨桿—錨索配合鋼筋梯子梁和金屬菱形網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。錨索長(zhǎng)度6000mm，采用Φ17.8mm鋼絞線制成，頂板布置3根，上幫布置2根，錨索托盤(pán)采用300mm×300mm×16mm鋼板制成，錨索間排距為2800mm×700mm；錨桿長(zhǎng)度2500mm，采用Φ20mm的螺紋鋼制成，全斷面布置13根錨桿，錨桿托板為140mm×140mm×8mm的鋼板制成，錨桿間排距為700mm×700 mm；鋼筋梯子梁規(guī)格為4 000mm×50mm，采用Φ10mm鋼筋制成；金屬菱形網(wǎng)為4000mm×1100 mm，采用10＃鐵絲編制；兩幫支護(hù)為錨梁網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為700mm×700mm，全斷面鋪設(shè)鋼筋梯子梁和掛鐵絲網(wǎng)。

2 煤柱寬度數(shù)值模擬分析

基于該工作面開(kāi)采條件，采用離散元數(shù)值模擬計(jì)算程序FLAC5.0，模擬分析該開(kāi)采條件不同護(hù)巷煤柱寬度條件下，煤柱塑性區(qū)的分布狀況，根據(jù)巷道現(xiàn)有支護(hù)方案和地質(zhì)條件，建立21108回風(fēng)巷數(shù)值模擬模型。采用FLAC5.0數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，本構(gòu)模型采用摩爾－庫(kù)侖模型，根據(jù)開(kāi)采深度，模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，模型兩側(cè)面水平位移固定，下表面垂直水平位移固定。

通過(guò)對(duì)比分析煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布的數(shù)值模擬結(jié)果可以得到一個(gè)較優(yōu)方案。分別選取窄煤柱寬度為5，7，8m3個(gè)方案，利用FLAC5.0計(jì)算煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖1和表1。

圖1 不同煤柱寬度的煤柱塑性區(qū)分布

表1 塑性區(qū)分布

從圖1和表1可以看出，當(dāng)煤柱寬度為5m時(shí)，整個(gè)煤柱區(qū)域都處在塑性區(qū)內(nèi)，煤柱失穩(wěn)，不存在穩(wěn)定核區(qū)；當(dāng)煤柱寬度增加到7m時(shí)，煤柱存在穩(wěn)定核區(qū)，且穩(wěn)定核區(qū)寬度1.4m，穩(wěn)定核區(qū)約為塑性區(qū)的0.25；當(dāng)煤柱寬度增加到8m時(shí)，煤柱存在穩(wěn)定核區(qū)，且穩(wěn)定核區(qū)寬度2.8m，穩(wěn)定核區(qū)約為塑性區(qū)的0.5。很顯然，當(dāng)煤柱寬度為7～8m時(shí)，煤柱內(nèi)部存在穩(wěn)定核區(qū)，該區(qū)域是保證煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵區(qū)域，同時(shí)考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，穩(wěn)定核區(qū)寬度一般為塑性區(qū)域?qū)挾鹊?.2［4－6］，所以，煤柱寬度選擇7m為宜。

3 煤柱松動(dòng)圈測(cè)試

對(duì)21108回風(fēng)巷煤柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳細(xì)調(diào)查，使用JL－IDOI2011智能鉆孔光學(xué)成像儀詳細(xì)觀察圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在測(cè)點(diǎn)位置，使用鉆頭直徑Φ24mm的錨桿鉆機(jī)打孔，孔深4m（5～7m范圍因結(jié)構(gòu)破碎無(wú)法探測(cè)），煤柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 煤柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由圖2可知，距孔口0～1.1m范圍內(nèi)，巖性較軟，剝落破碎嚴(yán)重；距孔口1.1～2.1m范圍內(nèi)巖層相對(duì)較好，局部有橫向裂紋；距孔口2.1～3.0m范圍內(nèi)巖層較完整；距孔口3.0～4.0m范圍內(nèi)巖層局部出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。可以看出，煤柱巷道側(cè)松動(dòng)圈范圍在2.1m以內(nèi)，其中2.1～3.0m，圍巖較完整，屬于煤柱的穩(wěn)定核區(qū)。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

4 結(jié) 論

合理的煤柱寬度是確定沿空掘巷技術(shù)成功與否的關(guān)鍵。通過(guò)數(shù)值模擬方法確定的煤柱寬度為7 m，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基本一致，可以有效保證煤柱與巷道的穩(wěn)定。

［1］ 馬念杰，侯朝炯.采準(zhǔn)巷道礦壓理論及應(yīng)用［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

［2］ 陳炎光，陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［3］ 王 永，朱川曲，陳淼明，等.窄煤柱沿空掘巷煤柱穩(wěn)定核區(qū)理論研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（4）：5－8.

［4］ 陳 科，柏建彪，朱 琪.沿空掘巷小煤柱破壞規(guī)律及合理寬度的確定［J］.煤礦安全，2009（8）：100－102.

［5］ 杜登計(jì)，王德發(fā)，楊永剛.深井沿空掘巷煤柱合理寬度的研究與實(shí)踐［J］.采礦技術(shù)，2012，12（1）：32－34，102.

［6］ 代金華，康天合，郭靈飛.采動(dòng)對(duì)綜放順槽穩(wěn)固性及合理煤柱寬度影響的實(shí)測(cè)研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2011，31（1）：4－5，22.