深部煤層沿空巷道窄煤柱留設(shè)尺寸研究

郜 露

（潞安環(huán)能股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046200）

深部開采時，在高應(yīng)力作用下，深部巷道圍巖變形較淺部更加劇烈，易出現(xiàn)大變形而失穩(wěn)[1]，因此，在實際生產(chǎn)中，通過利用沿空掘巷技術(shù)[2]，將巷道布置在臨采空區(qū)側(cè)煤體的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)來降低巷道圍巖的變形，這樣不僅能夠解決巷道圍巖應(yīng)力集中問題，而且能夠提高資源回收率，提高工作面生產(chǎn)效率。本文基于常村礦2105工作面間煤柱尺寸留設(shè)較大，易造成煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中，使得巷道變形嚴(yán)重的實際條件，進(jìn)行合理窄煤柱的尺寸留設(shè)研究，最終確定合理煤柱寬度，為工作面留煤柱沿空掘巷提供相應(yīng)借鑒。

1 工程概況

常村礦所采3#煤層位于山西組的中、下部，煤層賦存穩(wěn)定。該工作面平均煤層厚度5.85m，煤層傾角0o～7o，煤體容重1.4t/m3，煤層普氏硬度0.4。

2105工作面地面標(biāo)高為+935.1～ +941.4m，工作面標(biāo)高為+420.6～ +485.1m，埋藏深度為453.2～517.7m 之間。

2 窄煤柱留設(shè)尺寸理論分析

上區(qū)段工作面開采后，側(cè)向煤體支承應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，此時將沿空巷道布置在沿破碎區(qū)的塑性區(qū)內(nèi)，可以有效改善巷道的圍巖力學(xué)環(huán)境。基于煤體應(yīng)力分布規(guī)律和彈性力學(xué)理論，建立如圖1所示窄煤柱力學(xué)模型。

式（1）所示為極限平衡區(qū)理論計算公式[3]。

式中：

m-工作面采高，m；

α-煤層傾角，（°）；

A-側(cè)壓系數(shù)；

K-應(yīng)力集中系數(shù)；

γ-上覆巖層平均體積力，MN/m3；

H-巷道埋深，m；

φ0-煤體內(nèi)摩擦角，（°）；

C0-煤體內(nèi)聚力，MPa；

Px-上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護(hù)阻力，MPa。

其中當(dāng)K=1時，即可得破碎區(qū)寬度：

圖1 煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型

基于彈塑性力學(xué)理論和極限平衡區(qū)理論，設(shè)計煤柱寬度B范圍如圖2所示。

圖2 最小護(hù)巷煤柱寬度

因此最小煤柱寬度為[4]：

式中：

X1-煤柱臨采空區(qū)側(cè)形成的破裂區(qū)寬度，即式（2）中x0，m；

X2-錨桿有效長度，m；

X3-考慮煤柱厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，m。

由式（1）和式（2）可得，取m=5.85m，α=5°，C0=3.0MPa，A=0.3，Px=0.4MPa，φ0=32°，γ=0.25MN/m3，H=485.5m，X2=2.2m，由此計算可得：

因此計算得窄煤柱最小理論寬度為B=5.95～6.5m。

3 窄煤柱穩(wěn)定性驗證

基于上述理論數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分別選取窄煤柱寬度5m、6m、7m和8m四種模擬方案進(jìn)行分析驗證，通過對不同寬度煤柱的巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平糠謩e提取，獲得如圖3所示的不同煤柱寬度巷道變形曲線圖。

圖3 不同煤柱寬度巷道變形曲線

分析圖3可知，在5m煤柱時，巷道頂?shù)装逡平繛?43.8mm，兩幫移近量為308.4mm；當(dāng)煤柱為6m時，巷道頂?shù)装逡平繛?91.1mm，兩幫移近量為269.2mm，巷道圍巖變形整體呈下降趨勢；當(dāng)煤柱增加到7m時，巷道頂?shù)装逡平吭龃蟮?21.1mm，兩幫移近量也相應(yīng)增大到289.2mm；煤柱為8m時，巷道圍巖繼續(xù)增大，其中頂?shù)装逡平繛?35.1mm，兩幫移近量為281.0mm，因此整個巷道圍巖變形曲線近似呈漏斗形狀，即煤柱為6m時，巷道圍巖整體變形量最小。

4 結(jié)論

通過對常村礦2105工作面條件下的理論分析和計算，獲得窄煤柱最小理論寬度為5.95～6.5m。通過窄煤柱模擬，進(jìn)一步驗證確定了6m煤柱為合理窄煤柱寬度，該結(jié)論可為沿空巷道留設(shè)煤柱、巷道維護(hù)提供一定的借鑒意義。