厚煤層條件下留小煤柱護(hù)巷研究與應(yīng)用

梁 哲

(山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 047100)

國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)研究表明,留設(shè)小煤柱護(hù)巷能夠節(jié)約煤炭資源，提高煤炭資源的采出率。但同時(shí)小煤柱寬度留設(shè)是否合理也直接影響到沿空掘巷后護(hù)巷煤柱體自身的穩(wěn)定性[1-3]. 因此，有必要針對(duì)護(hù)巷煤柱寬度的合理性進(jìn)行科學(xué)的研究，使其能夠在起到護(hù)巷作用的同時(shí)不受采礦活動(dòng)影響而發(fā)生失穩(wěn)破壞。

1 工程地質(zhì)概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)所屬某礦位于山西省長(zhǎng)治市上黨區(qū)境內(nèi)，該礦井井田范圍內(nèi)目前所開(kāi)采的一水平3號(hào)煤層平均厚度為6.3 m，煤層平均傾角為9°，屬于緩斜厚煤層開(kāi)采條件。3號(hào)煤層頂板由下向上依次為泥巖層(3.5 m)、細(xì)粒砂巖層(5.8 m)、粉砂巖層(4.4 m)、細(xì)砂巖層(8.8 m)，底板由上向下依次為砂質(zhì)泥巖層(5.8 m)、細(xì)粒砂巖層(10.2 m). 目前一水平內(nèi)正在開(kāi)采1303工作面，且屬于回采階段的后期，其相鄰的1305工作面已經(jīng)開(kāi)拓掘進(jìn)完成。為提高煤炭資源采出率，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，該礦在1305工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，在原有留設(shè)寬煤柱(20 m)的基礎(chǔ)上改良煤柱寬度，進(jìn)行小煤柱護(hù)巷。1305工作面平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1.

圖1 1305工作面平面位置關(guān)系圖

由圖1可知，1305工作面作為工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)，其沿空側(cè)1305軌道平巷護(hù)巷煤柱分為兩部分，即原有寬煤柱(20 m)護(hù)巷段和改良后的小煤柱(5 m)護(hù)巷段。關(guān)于改良后煤柱寬度的合理尺寸留設(shè)問(wèn)題，可以通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法確定，并基于現(xiàn)場(chǎng)在1305工作面進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)進(jìn)行效果驗(yàn)證。

2 理論計(jì)算分析

關(guān)于1305工作面沿空側(cè)軌道平巷護(hù)巷煤柱最優(yōu)設(shè)計(jì)寬度B可由下式計(jì)算得到：

B=b1+b2+b3

(1)

式中：

b1—1303工作面回采期間對(duì)于護(hù)巷煤柱體造成的破碎區(qū)影響范圍，m；

b2—沿空側(cè)巷道煤柱幫錨桿支護(hù)有效長(zhǎng)度，m；

b3—考慮護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性而增加的富裕寬度，取值0.2(b1+b2)，m.

式(1)中破碎區(qū)影響范圍寬度b1可以基于極限平衡理論進(jìn)行計(jì)算[4-5]，其具體表達(dá)情況可由下式計(jì)算得到：

(2)

式中：

m—1303回風(fēng)平巷高度，m，取3.1；

A—側(cè)壓系數(shù)，取1.8；

φ0—煤體的內(nèi)摩擦角，(°)，取21；

C0—煤體的黏聚力，MPa，取5.5；

k—1303采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力集中系數(shù)，取3；

γ—上覆巖層的平均容重，kN/m3，取2 500；

H—1305軌道平巷的平均埋藏深度，m，取450；

Px—支護(hù)體對(duì)于煤柱幫的支護(hù)阻力，kN，取130.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件計(jì)算可知，b1=1.9 m. 考慮到幫部錨桿長(zhǎng)度La=2 400 mm，可知沿空側(cè)巷道煤柱幫錨桿支護(hù)有效長(zhǎng)度b2約為2.4 m，進(jìn)而可知考慮護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性而增加的富裕寬度b3約為0.9 m.將上述計(jì)算結(jié)果代入公式(1)，可知理論計(jì)算得到的1305工作面沿空側(cè)軌道平巷護(hù)巷煤柱最優(yōu)設(shè)計(jì)寬度B取值為5.2 m.

3 數(shù)值模擬分析

3.1 三維模型的建立

為了進(jìn)一步研究1305工作面沿空側(cè)軌道平巷護(hù)巷煤柱最優(yōu)設(shè)計(jì)寬度B的合理取值，采用FLAC3 D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。所建立的三維模型尺寸為長(zhǎng)160 m×寬60 m×高×60 m，模型采用Mohr-Coulomb模型，模型四周采用水平位移約束，下表面采用固定位移約束。所建立的三維模型根據(jù)其上表面距離地表的平均埋深420 m可知在其上方施加均布載荷為10.5 MPa，所建立的模型情況見(jiàn)圖2. 圖2中所示三維數(shù)值模型的煤巖體力學(xué)參數(shù)情況見(jiàn)表1.

圖2 三維數(shù)值模型圖

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

所建立的三維數(shù)值模型中，1305軌道平巷尺寸為寬4.0 m×高3.1 m，其具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖3.

圖3 1305軌道平巷支護(hù)方案圖

圖3中頂部、幫部錨桿均采用直徑為20 mm、桿體長(zhǎng)度為2 400 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為：頂板錨桿間距為900 mm，護(hù)巷煤柱幫錨桿間距為700 mm，實(shí)體煤幫錨桿間距為800 mm，錨桿排距均為800 mm；頂板中錨索布置形式采用兩根直徑為17.8 mm、桿體長(zhǎng)度為7 300 mm的鋼絞線錨索，錨索間排距為：錨索間距為160 mm，錨索排距均為2 400 mm. 1303采空區(qū)根據(jù)實(shí)際情況寬度取值為180 m.

依據(jù)圖3所建三維數(shù)值模型，分別模擬研究不同護(hù)巷煤柱寬度下1305軌道平巷圍巖內(nèi)的應(yīng)力和位移演變規(guī)律。不同護(hù)巷煤柱寬度條件下的數(shù)值模擬方案見(jiàn)表2.

表2 不同護(hù)巷煤柱寬度數(shù)值模擬方案表

3.2 護(hù)巷煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

對(duì)不同護(hù)巷煤柱寬度下煤柱體內(nèi)的垂直應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4.

圖4 不同護(hù)巷煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布規(guī)律圖

由圖4可知，隨著護(hù)巷煤柱體寬度從3 m增大至10 m的過(guò)程中，煤柱體內(nèi)的峰值應(yīng)力也相應(yīng)的增大，且峰值應(yīng)力整體靠近煤柱幫側(cè)。同時(shí)可知，當(dāng)煤柱體寬度在3～5 m時(shí)，煤柱體內(nèi)的峰值應(yīng)力不大于9.0 MPa，遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力值，這表明此時(shí)煤柱體內(nèi)整體處于塑性狀態(tài)，沒(méi)有積聚較高的彈性應(yīng)變能，煤柱體整體受力環(huán)境較好。隨著煤柱體寬度的進(jìn)一步增加，煤柱體內(nèi)因?yàn)殚_(kāi)始存在彈性區(qū)而能夠承載較高的垂直應(yīng)力，但由于煤柱體寬度較小，很容易在較高的垂直應(yīng)力作用下因積聚較高的彈性應(yīng)變能而發(fā)動(dòng)失穩(wěn)破壞，因此基于不同寬度煤柱體內(nèi)的垂直應(yīng)力演變規(guī)律，可以確定最合理的煤柱體寬度不應(yīng)大于5 m.

3.3 護(hù)巷煤柱內(nèi)水平位移分布規(guī)律

對(duì)不同護(hù)巷煤柱寬度下煤柱體內(nèi)的水平位移進(jìn)行了模擬研究，模擬結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 不同護(hù)巷煤柱寬度下水平位移分布規(guī)律圖

由圖5可知，不同寬度煤柱體內(nèi)水平位移分布呈現(xiàn)出向1305軌道平巷側(cè)和1303采空區(qū)側(cè)不同的變形規(guī)律。由圖5b)可知，向1305軌道平巷側(cè)水平位移峰值在煤柱體寬度從3 m增大至4 m的過(guò)程中最大水平位移量急劇增加，之后隨著煤柱體寬度增加其相應(yīng)的最大水平位移量呈線性比例關(guān)系增加，可見(jiàn)煤柱體寬度越小，其向1305軌道平巷側(cè)的最大水平位移量也相應(yīng)越小。由圖5c)可知，向1303采空區(qū)側(cè)水平位移峰值在煤柱體寬度從3 m增大至5 m的過(guò)程中最大水平位移量急劇增大，隨后隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增加而最大水平位移量緩慢減小，但煤柱體最大水平位移量均不超過(guò)30 mm，變形量較小。綜上分析可知，采用寬度不大于5 m的煤柱體從水平位移的角度看能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

當(dāng)1305軌道平巷開(kāi)掘支護(hù)后，分別在原有寬煤柱(20 m)護(hù)巷段和改良后的小煤柱(5 m)護(hù)巷段設(shè)置間隔50 m的3組測(cè)站進(jìn)行巷道圍巖礦壓監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果平均值見(jiàn)圖6.

圖6 巷道圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

由圖6a)可知，巷道圍巖穩(wěn)定后頂?shù)装迤骄平繛?6 mm，兩幫平均移近量為55 mm，整體圍巖平均移近量較小，能夠滿足生產(chǎn)安全需求。由圖6b)可知，巷道圍巖穩(wěn)定后頂?shù)装迤骄平繛?3 mm，兩幫平均移近量為69 mm，與原有寬煤柱(20 m)護(hù)巷段圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致，說(shuō)明改良煤柱寬度至5 m后依舊能夠起到對(duì)1305軌道平巷的護(hù)巷效果，且整體圍巖平均移近量較小，護(hù)巷效果良好。

5 結(jié) 論

1) 基于極限平衡理論計(jì)算出1303采空區(qū)側(cè)向破碎區(qū)影響范圍寬度b1等于1.9 m，沿空側(cè)巷道煤柱幫錨桿支護(hù)有效長(zhǎng)度b2約為2.4 m，進(jìn)而可知考慮護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性而增加的富裕寬度b3約為0.9 m，綜合計(jì)算得知1305工作面沿空側(cè)軌道平巷護(hù)巷煤柱最優(yōu)設(shè)計(jì)寬度B取值為5.2 m.

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明隨著護(hù)巷煤柱體寬度從3 m增大至10 m的過(guò)程中，煤柱體內(nèi)的峰值應(yīng)力也相應(yīng)的增大。當(dāng)煤柱體寬度在3～5 m時(shí)，煤柱體內(nèi)的峰值應(yīng)力不大于9.0 MPa，遠(yuǎn)小于原巖應(yīng)力值，可以確定最合理的煤柱體寬度不應(yīng)該大于5 m；向1303采空區(qū)側(cè)水平位移峰值在煤柱體寬度從3 m增大至5 m的過(guò)程中最大水平位移量急劇增大，但煤柱體最大水平位移量均不超過(guò)30 mm. 綜上分析可知，采用寬度不大于5 m的煤柱體從水平位移的角度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 原有寬煤柱(20 m)護(hù)巷段圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道圍巖穩(wěn)定后頂?shù)装迤骄平繛?6 mm，兩幫平均移近量為55 mm；改良后的小煤柱(5 m)護(hù)巷段圍巖礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道圍巖穩(wěn)定后頂?shù)装迤骄平繛?3 mm，兩幫平均移近量為69 mm. 說(shuō)明改良煤柱寬度至5 m后依舊能夠起到對(duì)于1305軌道平巷的護(hù)巷效果。