采煤工作面沿空掘巷區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化研究

＊王國召 王飛飛

（陜西延長石油集團橫山魏墻煤業(yè)公司 陜西 719000）

我國煤礦井工開采仍是主要開采手段，隨著埋深的增加，煤炭資源高效開采成為當(dāng)前的熱門研究方向[1-3]。針對區(qū)段煤柱寬度留設(shè)仍是礦井高效回采的關(guān)鍵技術(shù)[4-7]。本文以5319 采煤工作面為工程背景，建立了煤柱寬度的計算模型，并通過理論計算、數(shù)值模擬及與現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的研究方法對區(qū)段煤柱留設(shè)的寬度進行了分析優(yōu)化。

1.工程背景

圖1 5319 工作面布置平面圖

5319 工作面新布置的工作面回風(fēng)巷屬于典型的沿空掘巷，由于受5320 工作面的回采過程的采動影響，5319 工作面所留設(shè)巷道在維護前，煤柱上方煤巖體已出現(xiàn)較多裂隙，進而導(dǎo)致頂板或煤柱出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象。5319 工作面沿空巷道一方面受5319 工作面超前支承壓力的作用，同時也承受5320 采空區(qū)側(cè)支承壓力的作用，導(dǎo)致5319 工作面沿空巷道礦壓顯現(xiàn)極其嚴重。未采取防治措施的情況下，推采5319 工作面時，所造成的巷道變形量是掘進期間的5～6 倍以上。

圖2 綜采工作面煤層柱狀圖

5319 工作面布置在3#煤層松軟，煤樣抗壓強度最大13.7 MPa，最小4.3 MPa，平均為10.3 MPa，軟化系數(shù)平均為0.55，抗拉強度最大0.15 MPa，最小0.07 MPa，平均為0.10 MPa。

2.煤柱寬度理論分析

煤柱寬度理論分析的目標(biāo)是建立和簡化計算模型（如圖3），在保證煤炭回收率的基礎(chǔ)上（留設(shè)較小尺寸煤柱），需確保巷道穩(wěn)定。確定煤柱寬度B 的計算公式如下。

圖3 合理煤柱寬度的計算模型

X1是在采空區(qū)側(cè)煤體中形成的塑性區(qū)域的寬度，它的大小可以通過公式（2）來計算。

式中：m—煤層厚度，m；A—側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，μ為泊松比；φ0—煤層界面的內(nèi)摩擦角，°；C0—煤層界面的粘結(jié)力，MPa；k—應(yīng)力集中系數(shù)；γ—上覆巖層的平均容重，kN/m3；H—巷道埋深，m；Pz—支架的抗壓能力，在采空區(qū)的表現(xiàn)為零，從而有效地抵抗煤幫的壓力；X2是指錨桿的有效長度，它取決于錨桿支護參數(shù)的選擇；X3是一種因為煤層厚度的增加而導(dǎo)致的煤柱寬度的增長。

根據(jù)巷道圍巖力學(xué)和支護參數(shù)，我們可以計算出沿空窄煤柱寬度的理論值，即B=3 ＋1 ＋（3 ＋1）×0.15（0.35）=4.6 m（8.1 m）。

采用傳統(tǒng)極限平衡理論的方法計算煤柱寬度，得到煤柱寬度的理論值為4.6～8.1 m。

3.數(shù)值模擬結(jié)果及分析

（1）數(shù)值計算模型建立。使用FLAC3D數(shù)值計算軟件對沿空掘巷特征進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)5319 工作面實際生產(chǎn)地質(zhì)條件和巷道布置位置的關(guān)系，建立如圖4 所示的沿空掘巷數(shù)值計算模型，表1 即為模型的參數(shù)。模型尺寸（長×寬×高）確定為400 m×180 m×48 m。

表1 頂?shù)装鍘r體力學(xué)特性

圖4 沿空掘巷數(shù)值計算模型

（2）應(yīng)力分布特征與確定合理煤柱寬度。根據(jù)5319 工作面生產(chǎn)的地質(zhì)情況，同時結(jié)合綜采工作面在開采后采空區(qū)的側(cè)向支承壓力分布的數(shù)值模擬情況。在考慮如何確定沿空掘巷窄煤柱的寬度時，對8 種煤柱留設(shè)方案進行數(shù)值模擬與分析，巷道都布置于上區(qū)段采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力的應(yīng)力降低區(qū)域，煤柱尺寸為4 m、5 m 和6 m 布置在應(yīng)力峰值的左側(cè)；煤柱尺寸為17 m、18 m、19 m、20 m 和25 m 為布置在應(yīng)力峰值的右側(cè)。理論計算小于4 m 的煤柱達不到支承需要，顧及到采空區(qū)的透水問題，巷道的圍巖應(yīng)力系數(shù)不要過大，在一定的安全系數(shù)情況下，應(yīng)將巷道圍巖應(yīng)力系數(shù)設(shè)置在2.5 以下，7 m 到16 m 上覆圍巖應(yīng)力集中系數(shù)皆大于2.5，巷道所承受的壓力較大，支護及采煤工作極為困難，不利于安全開采。以4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m 和20 m 八個煤柱寬度的方案進行數(shù)值模擬，通過分析模擬結(jié)果的應(yīng)力分布規(guī)律及變性特征，選取最佳的煤柱寬度。具體方案見表2。

表2 煤柱寬度選取方案

（3）回采期間巷道應(yīng)力分布結(jié)果分析。5319 綜采小作面在回采過程中，超前支承壓力峰值位于工作面前方8 m 處，做切面研究不同煤柱的垂直應(yīng)力與煤體邊緣距離的關(guān)系煤柱寬度以及垂直應(yīng)力分布規(guī)律對巷道圍巖垂直應(yīng)力分布的分析。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，巷道圍巖應(yīng)力參數(shù)與煤柱留設(shè)寬度分布規(guī)律，如表3 所示。

表3 掘進時期的應(yīng)力集中系數(shù)

5319 工作面回采時，在巷道超前8 m 的應(yīng)力監(jiān)測點，在4 m、6 m 和8 m 煤柱側(cè)向應(yīng)力峰值伴隨煤柱寬度的增大而增大，尺寸4 m 煤柱的應(yīng)力峰值為21 MPa，尺寸6 m 煤柱的應(yīng)力峰值為28 MPa，尺寸8 m 煤柱的應(yīng)力峰值為30 MPa。煤柱側(cè)的應(yīng)力峰值相對于掘進時期的應(yīng)力峰值，由于受到回采時產(chǎn)生的超前應(yīng)力的影響,支承應(yīng)力也稍有增加。5319 工作面沿空巷道同時受超前支承壓力和側(cè)向支承壓力作用，壓力峰值分別為34 MPa 和90 MPa。隨著煤柱尺寸增加至18 m，煤柱受側(cè)向支承壓力峰值為60 MPa 左右。

（4）通過研究煤柱寬度，我們可以更好地了解巷道圍巖的塑性分布情況。4 m、6 m 和8 m 的煤柱在工作面的前部8 m 處遭遇劇烈的擠壓，導(dǎo)致巷道的雙邊遭遇斷裂。特別是6 m 和8 m 的巷道，它們的斷裂情況最為嚴峻，而且斷裂的影響范圍也比較廣泛。盡管4 m 斷裂面積較小，但它的塑性損傷比開采要大得多。在10 m、12 m、14 m、16 m 和18 m 的情況下，可以發(fā)現(xiàn)巷道的損傷程度相對較低，同時煤柱的塑性沖擊范圍也相應(yīng)縮短。因此，當(dāng)煤柱的直徑變得更長時，巷道的損傷程度也將相應(yīng)降低。

表3 為開采過程應(yīng)力集中系數(shù)分析結(jié)果。經(jīng)測試，4 m、6 m、8 m 的礦柱巷道的上層圍巖的最高應(yīng)力分布比較平穩(wěn)，一般不超過2.5，而10 m、12 m、14 m、16 m 和18 m 礦柱巷道的最高應(yīng)力分布比例則介乎1～2.5，這些都符合掘進的安全要求。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巷道長度達到1 m 時，其覆蓋圍墻的最大應(yīng)力集中系數(shù)幾乎沒有發(fā)生任何改變，但是當(dāng)長度超過1 m 時，則發(fā)生改變。例如，當(dāng)長度達到1 m 時，其覆蓋壁面的最大應(yīng)力集中系數(shù)可能達到2.01；當(dāng)長度達到8 m 時，其最大應(yīng)力集中系數(shù)可能達到2.67；當(dāng)長度達到10 m 時，其最大應(yīng)力集中系數(shù)可能達到3.21；當(dāng)長度達到12 m時，其最大應(yīng)力集中系數(shù)可能達到2.01；當(dāng)長度達到16 m 時，其最大應(yīng)力集中系數(shù)可能達到1.83。因此，當(dāng)長度超過1 m、17 m 和18 m 時，這些巷道的圍墻的最大應(yīng)力集中系數(shù)將超過2.5，這將對其安全性造成嚴重的威脅，危及其正常的使用。盡管4 m、6 m 的礦柱的應(yīng)力集中系數(shù)較小，但它們也會導(dǎo)致采空區(qū)的滲漏，從而增加安全風(fēng)險。相比之下，14 m、16 m、18 m 的煤柱的設(shè)計，它們的應(yīng)力分布更加均勻，而且還有助于減少采空區(qū)的滲漏，從而使得它們成為最佳的工程設(shè)計。

5319 工作面運輸順槽目前掘進約200 m，與5320工作面采空區(qū)之間區(qū)段煤柱寬度暫時留設(shè)14 m。在煤柱內(nèi)部打孔觀察煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育情況進而對煤柱變形特征進行評價。根據(jù)圖5 窺視結(jié)果可知，距離孔口1 m 位置時，孔周邊出現(xiàn)明顯變形，存在大量裂隙。隨著孔深的增加，在距離孔口5 m 左右時，裂隙顯著減少。經(jīng)過0～5 m 的鉆孔深度處理，煤柱內(nèi)部的裂隙顯著減少，煤柱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形破壞程度極低，巷道完整性也得到了有效改善，沒有出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)的情況，因此，這種煤柱的留設(shè)不會對工作面的安全回采造成任何影響。

圖5 煤柱鉆孔窺視圖

4.結(jié)論

（1）根據(jù)極限平衡理論建立了煤柱寬度的計算模型，得出煤柱極限平衡區(qū)寬度為4.6～8.1 m。（2）使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了一個關(guān)于5319 工作面開采的模型，并對窄煤柱寬度的合理選擇進行了研究。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)，在窄煤柱寬度為14 m 的情況下，可以有效降低圍巖應(yīng)力集中系數(shù)，提高巷道的穩(wěn)定性。（3）通過鉆孔窺視對5319 工作面現(xiàn)有煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育情況進行了觀測，留設(shè)煤柱14 m 時煤柱內(nèi)部仍存在未破壞區(qū)域，具有一定的承載能力，進一步驗證了煤柱寬度留設(shè)的合理性。