綜采工作面區(qū)段窄煤柱尺寸研究

張冬冬

(山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，晉城0480027)

0 引言

區(qū)段煤柱是維護(hù)工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定的重要隔離體，對(duì)工作面安全開(kāi)采具有重要意義[1-3]。莒山礦開(kāi)采3 號(hào)煤屬于優(yōu)質(zhì)焦煤，以往的工作面開(kāi)采過(guò)程中區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸較大，造成了煤炭資源的大量損失，隨著3 號(hào)煤層資源儲(chǔ)量越來(lái)越少，為延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高煤炭資源的采出率，急需對(duì)區(qū)段煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化研究。本文以莒山礦f3202綜采工作面回風(fēng)順槽為工程背景，對(duì)區(qū)段煤柱進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

f3203工作面所采的3號(hào)煤層位于山西組下部，煤層厚5.5 m～8.15 m，平均厚6.18 m，煤層平均埋深136 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～2 層矸石。該煤層穩(wěn)定可采，煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，局部發(fā)育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度150 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1 200 m，采用綜放工藝回采，其中采2.2 m，放4 m，端頭不放煤。

f3203回風(fēng)順槽沿底板沿空掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道東側(cè)為區(qū)段煤柱，西側(cè)為f3203 工作面，規(guī)格為3 000 mm×3 000 mm，考慮支護(hù)厚度，回風(fēng)順槽掘進(jìn)斷面設(shè)計(jì)尺寸為3 200 mm×3 100 mm。巷道采用錨桿及錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿，規(guī)格為φ 20 mm×2 000 mm，頂錨桿和幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm；錨索直徑為φ 15.24 mm，錨索長(zhǎng)度為8 300 mm，錨索采用2-0-1-0方式布置，間排距為1 600 mm×1 600 mm。

2 區(qū)段煤柱尺寸理論研究

f3201 工作面回采過(guò)程中煤層上覆巖層會(huì)發(fā)生破斷運(yùn)移，工作面回采結(jié)束后采空區(qū)側(cè)向上覆巖層破斷運(yùn)移會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，在采空區(qū)側(cè)向區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)破碎區(qū)、塑性強(qiáng)化區(qū)、彈性應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[4-6]，根據(jù)極限平衡理論，采空區(qū)側(cè)向塑性區(qū)與彈性區(qū)域的交匯處處于極限平衡狀態(tài)，并滿足如下應(yīng)力平衡方程：

通過(guò)計(jì)算，可得出采空區(qū)塑性區(qū)域?qū)挾裙綖椋?/p>

式中：m 為煤層采高，取割煤高度2.2 m；K 為應(yīng)力集中系數(shù)，取2；λ為覆巖側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1-μ)，μ取0.23；γ為上覆巖層容重，取25 kN/m3；H 為巷道埋藏深度，取136 m；C 為煤層彈塑性交匯處內(nèi)聚力，取1.06 MPa；φ0為彈塑性交匯處內(nèi)摩擦角，取27°；px為錨桿對(duì)巷道的側(cè)向壓力，取0.15 MPa。

將各參數(shù)代入式2中可得L0=2.73 m。

一次采動(dòng)影響后，區(qū)段煤柱由塑性區(qū)和錨桿支護(hù)區(qū)組層，根據(jù)理論分析，采空區(qū)側(cè)向塑性區(qū)域?qū)挾葹?.73 m，f3203 回風(fēng)順槽錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度為2.0 m，則巷道東側(cè)區(qū)段煤柱最小極限寬度為5.73 m。

3 數(shù)值模擬研究

結(jié)合實(shí)際開(kāi)采地質(zhì)條件，采用FLAC3d 數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為長(zhǎng)(X)×寬(Y)×高(Z)=300 m×300 m×60 m，剩余上覆巖層采用均布載荷代替，模型底部限制垂直位移，兩側(cè)限制水平位移。模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，大應(yīng)變變形模式，模型主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)合理論分析本次模擬分別分析區(qū)段煤柱寬度4 m、6 m、8 m、10 m時(shí)應(yīng)力變形情況。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

圖1為數(shù)值模擬分析不同寬度條件下煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律，由圖可知，當(dāng)煤柱寬度為4 m～6 m時(shí)煤柱所受垂直應(yīng)力為4 MPa～6 MPa，巷道另一側(cè)實(shí)體煤幫所受應(yīng)力相對(duì)較大，高達(dá)22 MPa～24 MPa；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)煤柱中部所受應(yīng)力有所增大，最大應(yīng)力10 MPa～12 MPa，實(shí)體煤幫應(yīng)力為22 MPa；寬度為10 m時(shí)煤柱所受應(yīng)力突然大幅度增大，最大應(yīng)力高達(dá)24 MPa，煤柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大幅度降低，不利于巷道維護(hù)。

圖1 不同寬度煤柱所受垂直應(yīng)力

由圖2 可知，隨著煤柱寬度的增大巷道變形逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度為4 m 時(shí)巷道頂板最大變形量為285 mm，煤柱幫變形量為212 mm，實(shí)體煤幫變形量為170 mm，底板變形量為141 mm；隨著煤柱寬度的增大巷道變形量大幅度減小，當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)巷道頂板下沉量為180 mm，煤柱幫變形量為153 mm，實(shí)體煤幫變形量為122 mm，巷道底板變形量為75 mm。隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增大巷道圍巖變形量基本穩(wěn)定。

圖2 沿空巷道圍巖變形曲線

4 區(qū)段煤柱尺寸確定

根據(jù)理論分析，區(qū)段煤柱最小寬度為5.73 m；根據(jù)數(shù)值模擬，當(dāng)煤柱寬度為8 m 及以內(nèi)時(shí)煤柱所受應(yīng)力相對(duì)較小，高應(yīng)力主要集中于實(shí)體煤幫，當(dāng)煤柱寬度大于為10 m時(shí)煤柱所受應(yīng)力大幅度增大，煤柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，不利于后期采動(dòng)期間的巷道維護(hù)，因此區(qū)段煤柱寬度應(yīng)在10 m 以內(nèi)；當(dāng)煤柱寬度為8 m 及以上時(shí)巷道圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，且圍巖變形量相對(duì)較小，因此煤柱不宜小于8 m。結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果綜合考慮，區(qū)段煤柱尺寸為8 m。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合莒山礦f3203 工作面實(shí)際開(kāi)采地質(zhì)條件，對(duì)工作面區(qū)段煤柱進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過(guò)理論分析確定區(qū)段煤柱寬度為5.73 m，在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)值模擬研究分析了不同尺寸條件下煤柱應(yīng)力分布規(guī)律和巷道圍巖變形規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果最終確定區(qū)段煤柱寬度為8 m。