沿空掘巷小煤柱護巷的理論分析及應用

2019-07-25 07:05:50劉勇

煤礦現代化 2019年5期

劉勇

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西陽泉 045008）

0 引言

沿空掘巷指沿采空區邊緣或留設窄煤柱掘進巷道，目的是將巷道與采空區隔離，。沿空巷道的窄煤柱在上下兩區段回采動壓的影響下會產生不同程度的破壞，破壞程度在極大程度上影響著回采巷道的穩定性[1]。在沿空掘巷方面，國內外學者展開了大量的研究，如劉增榮[2]將沿空巷道的頂板巖層視為懸伸巖層，通過其對上覆巖層作用的角度具體分析了緩、急斜煤層中運用窄煤柱護巷時具體的力學機理，同時給出當沿空巷道的中軸線與采空區邊緣的距離為5m時，留設3～5m的護巷煤柱，回采巷道和窄煤柱所受到的圍巖壓力較小；常聚財、謝廣祥等[3,4]對綜放開采沿空掘巷的合理布置位置進行了深入的研究，通過現場實測、理論計算并結合數值模擬的綜合方法進行具體分析，并由應力測試的方法得出煤柱沿傾向應力變化規律；本文主要從理論分析的角度對沿空巷道上覆巖層的結構特征以及窄煤柱護巷的寬度進行研究，并根據工程實例驗證分析其可用性。

1 工程概況

某礦3101綜采工作面主采昌寧統那讀組下百崗段I煤層，煤層的厚度為2.8～3.2m，平均厚度為3m，I煤層的的直接頂泥巖，黑色，平均厚度為3.6m，煤層的基本頂為細砂巖，平均厚度為16m，底板為泥巖和砂質泥巖；煤的平均抗壓強度為6.03MPa，黑色泥巖的平均抗壓強度為16.7MPa，細砂巖的平均抗壓強度為50.8MPa。該工作面南部緊挨已經回采完畢的1201工作面，本次試驗的沿空掘進巷道為3101工作面的運巷，工作面的具體巷道布置如圖1所示。

圖1 3I01工作面巷道布置

2 護巷煤柱的應力分布及上覆巖層的結構特征

2.1 煤柱的應力分布

護巷煤柱受到上區段1201采空區以及回采巷道的影響，煤柱會產生不同程度的變形破壞，護巷煤柱會在煤體的兩側各自形成一定區域的塑性區。根據護巷煤柱的寬度不同，可大致根據煤柱的寬度將應力分布分為兩種類型。用L來表示煤柱的寬度，L0來表示煤柱采空區側支承壓力影響區的范圍，L1表示巷道側支承壓力影響區的范圍。當煤柱的寬度較大時，即L＞L0+L1時，此時煤柱兩側的支承壓力沒有疊加，煤柱中部的應力與兩側疊加區域的應力相比較低，煤柱中部存在一定寬度的彈性核區域，此時的應力呈現不對稱的馬鞍形分布，如圖2a所示；隨著護巷煤柱寬度的逐漸減小，在L＜L0+L1時，由于兩側回采引起的支承壓力的疊加使得煤柱所承受的應力較大，此時整個煤柱的應力呈現鐘形分布，如圖2b所示，故為保證護巷煤柱的穩定性，通過合理的選擇煤柱寬度能夠有效避免煤柱內支承壓力的疊加。

圖2 穩定煤柱的彈塑性區及應力分布

2.2 煤柱上覆巖層結構特征

隨著1201工作面的推進，上方基本頂在周期來壓的作用下會沿著工作面的側向形成如圖3所示類似于砌體梁的結構，圖中的巖塊A為下區段的直接頂巖層，巖塊B為上區段采空區在靠近煤柱上方位置處彎曲下沉所形成的弧形三角塊，巖塊C為上區段采空區上方直接頂破斷后的巖層。這種形似砌體梁的結構對支撐上覆巖層荷載起到關鍵作用，在這種形似砌體梁結構對煤柱的穩定起到關鍵的保護作用。

圖3 沿空巷道上覆巖體破斷結構圖

由上述分析可知弧形三角塊B對護巷煤柱的穩定起到關鍵性的作用，故在評價上覆巖層大結構的穩定性時，只需對弧形三角塊B的結構參數作具體分析即能夠滿足沿空巷道的穩定，具體的參數模型如圖4所示。弧形三角塊B的結構參數主要有4個：

1）為基本頂的斷裂長度L1，L1與基本頂的周期來壓步距[5]相等，表達式為：

式中：q為基本頂單位面積平均載荷，MN/m2；Rt為基本頂的抗拉強度，MPa；h為基本頂厚度，m。根據礦井1201工作面地質資料，基本頂周期來壓步距一般為14～17m之間，所以斷裂長度L1為14～17m。

2）基本頂的斷裂位置X0

據相關研究表明，基本頂的斷裂位置大部分情況下位于采空區側向煤體的彈塑性區域交接處[6]，表現為兩種情況，即斷裂位置位于護巷煤柱上方或者在采空區上方。用X0表達斷裂位置距上區段采空區側煤壁的距離，則X0具體表達式為：

式中：y0為工作面采高，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為沿空巷道埋深，m；φ為煤體內摩擦角，°；A為側壓系數；px為對煤幫的支護阻力，MPa；c為煤層粘聚力，MPa；K為應力集中系數。根據1201工作面的相關資料顯示采高y0為3m，煤層內摩擦角φ為20°，側壓系數A為1.5，應力集中系數K為3，支護阻力px為0MPa，巷道埋深H為200m，粘聚力c為3MPa，上覆巖層平均容重γ為0.025MN/m3。將上述數據帶入式（2）計算得出1201工作面基本頂斷裂位置X0為5.8m。

3）厚度h的確定。

關鍵塊體B的厚度與護巷煤柱上覆基本頂巖層的厚度相等。

4）參數L2的確定。

L2的計算公式可表示為：

根據大量的數據計算分析發現：當S/L1＞6時，L2=L1，由 1201 工作面的長度為 150m，S/L1＞6，故能夠得出L2為14～17m。

圖4 弧形三角塊B的主要結構參數

3 合理護巷煤柱寬度的分析

3.1 煤柱寬度的確定方法

由于沿空護巷煤柱會先后受到上下區段工作面的采動影響，會逐漸在煤柱的邊緣出現一定區域的塑性破壞，塑性區的出現會致使煤柱能承受載荷的能力大大降低，隨著工作面的向前推進，塑性破壞區域的寬度會逐漸增大，使得煤柱的變形加劇，據此可知煤柱內部塑性破壞區域的的尺寸是合理留設煤柱寬度的關鍵。將煤體視為均質連續體，簡化后煤柱的力學模型如圖5所示，根據莫爾—庫倫準則和彈性力學的有關知識能夠求得極限平衡區的寬度[7]：

式中：m為煤柱高度；Px為錨桿對煤柱的側向阻力；λ為塑性區邊界面的側壓系數，λ=μ/1-μ；σx、σy分別為沿x軸和y軸方向上的應力；K為塑性區邊界面應力集中系數；γ為上覆巖層平均容重；H為煤柱埋深；φ為煤體內摩擦角。

為了避免固定和殘余支承壓力對巷道的影響，故運用錨桿（索）對護巷煤柱進行支護，在高圍巖應力的作用下，可能會使得錨桿（索）錨固范圍處于煤柱的塑性破壞區內，致使錨固效果差，故錨桿（索）長度x2也是煤柱合理寬度所要考慮的因素，另外，考慮到影響煤柱穩定的其他未知因素，因此對煤柱添加一個安全系數x3，以避免不定因素對煤柱的影響。綜上所述，沿空巷道護巷煤柱合理的寬度表達式為：