南关煤矿三采区回采巷道合理煤柱宽度研究

2019-05-31孟晓刚

山西冶金 2019年2期

孟晓刚

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司，山西介休 032000）

随着我国煤矿开采深度的不断加大和采煤机械化程度的不断提高，各矿井大多面临采掘衔接紧张、围岩应力急剧增加、采出率要求逐渐提高等问题[1-2]，其中护巷煤柱宽度的合理选择是决定工作面回采巷道掘进时的稳定性及后期维护工作量的关键[3-5]。与常规顺采工作面相比，跳采之后所遗留的孤岛工作面的两侧采场引起的覆岩变形破坏和结构失稳更加严重，在孤岛内部掘进回采巷道时其矿压显现更加剧烈，巷道返修率高，严重影响了矿井生产效率[6-7]。因此合理选择孤岛工作面两侧护巷煤柱宽度既能保证煤柱自身和新准备工作面回采巷道的稳定性，减小巷道返修工作量，又能够缓解矿井采掘衔接紧张局面，并且提高采出率[8]。

本文以南关矿2号煤层三采区孤岛工作面为背景，分析了上区段采空区侧向支承应力的分布规律以及下区段工作面回采巷道掘进后的应力、位移特征与煤柱宽度的关系，通过理论计算和数值模拟的方法，从煤柱与巷道稳定性两个方面出发，确定了南关矿三采区孤岛工作面两侧护巷煤柱的合理宽度，研究结果可为同类型工作面提供参考。

1 工程概况

南关矿2号煤层三采区地面标高1 075～950 m，采区标高575～445 m，埋深约500 m。其中的回采工作面倾向长度150 m，回采巷道走向长度900 m，所采2号煤层平均厚度2.4 m，倾角1°～5°。煤层顶板以泥岩、砂岩为主，伪顶为厚度0.2 m泥岩，直接顶为厚度1.4 m泥岩，老顶为厚度3.2 m粉砂岩；底板以砂岩为主，直接底厚度2.5 m细砂岩，老底厚度1.4 m粉砂岩。工作面顶底板岩层特征见表1。

表1 工作面顶底板岩层特征

采区内工作面均采用后退式走向长壁综合机械化整层开采，双巷布置，U型通风。工作面回采巷道均为顶板倾斜的直角梯形断面，宽度4.4 m，中心高度2.8 m，沿煤层顶板掘进。经过之前的跳采，现阶段南关矿三采区工作面均为孤岛工作面，工作面布置平面图如图1所示。

图1 工作面布置平面示意图

2 理论计算

由回采巷道煤柱临界宽度的理论计算方法[9]估算南关矿2号煤三采区回采巷道的煤柱宽度极限如下：

由Bieniawski煤柱强度计算公式，有：

式中，σc为由煤体中取出的标准试件的单轴抗压强度，W为区段间的煤柱宽度，h为回采巷道高度。

煤柱的静载荷集度为：

式中，γ为煤层上覆岩层的容重，H为煤层埋深，B为回采巷道宽度。

当煤柱取不发生破坏的临界宽度W0时，煤柱的静载集度与煤柱强度相等，因此，由qi=σp，可得煤柱的临界宽度应该满足：

将南关矿2号煤标准试件的单轴抗压强度12MPa代入公式，并根据埋深500m，巷道高度2.8m，宽度4.4 m，煤层上覆岩层容重26 kN/m3，计算可得，南关矿2号煤三采区条件下煤柱宽度不应小于24.28 m。

3 数值分析

3.1 模型建立及边界条件

根据南关矿2号煤层三采区工作面地质条件建立FLAC3D数值模拟模型。当煤柱及巷道的尺寸远小于相邻采空区的走向长度时，其稳定性问题可按照平面应变问题来研究，因此建立数值模拟模型尺寸为109.2 m×46 m×10 m（长×高×厚），模型总共包括101 460个单元，109 620个节点，在煤柱及巷道附近单元体尺寸较小，到模型边界单元体尺寸逐渐变大。模型的四个侧面为铰支，限制四周边界节点的水平位移；底部为固支，限制节点的全部位移；顶部为应力边界，按照巷道埋深模拟上覆岩层的重力施加12 MPa垂直向下均布荷载。模拟计算煤岩体采用摩尔库伦屈服准则。模型中包括一个回采巷道及相邻工作面采空区，模拟煤柱宽度5m、7.5m、10m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m，模拟巷道高帮侧为煤柱和相邻工作面采空区，低帮侧为待回采煤体。模拟模型如图2所示。

图2 模拟模型图

3.2 上区段采空区支承压力分布特征

南关矿三采区中上区段工作面回采结束后，采空区支承压力在2号煤层中的分布特征如图3所示。

图3 采空区支承压力分布规律

由图3可知，在上区段工作面回采结束后，距采空区煤壁0～1 m范围内垂直应力分布为3.41～11.9 MPa，可知该范围内煤体由于破碎难以承受垂直应力的升高，产生了小于原岩应力垂直应力降低区，该范围为煤体破裂区；距采空区煤壁1～3.5 m范围内垂直应力为12.5～40.57 MPa，该范围内垂直应力大于原岩应力，且随着远离采空区煤壁垂直应力逐渐增大并达到峰值，该范围为煤体塑性区；距采空区煤壁3.5～27.5 m范围内，随着远离采空区煤壁，垂直应力由峰值逐渐下降到12.5 MPa左右，恢复至原岩应力水平，该范围为煤体弹性区；在距离采空区煤壁大于27.5 m的范围内，煤体中垂直应力稳定在原岩应力水平，该范围为原岩应力区。由上可知，采空区煤壁中可以分为应力降低区（0～1 m），应力升高区（1～27.5 m），原岩应力区（＞27.5 m），并且采空区煤壁中的垂直应力峰值为40.57 MPa，出现在距采空区煤壁3.5 m处，且采空区支承压力在侧方煤体中的影响范围为27.5 m左右。

3.3 下区段巷道掘进后受力及变形规律

3.3.1 煤柱内支承压力分布规律

上区段工作面回采结束后，下区段工作面回采巷道掘进后不同宽度煤柱内的垂直应力分布曲线如图4所示。

图4 不同宽度煤柱内支承压力分布规律

由图4可知，当煤柱宽度小于10 m时，煤柱受到上区段采空区及下区段回采巷道的支承压力叠加影响而发生严重的失稳破坏，在残余强度下，煤柱中的垂直应力峰值较小；当煤柱宽度为10～20 m时，煤柱内应力呈现出峰值靠近采空区一侧的倾斜分布，由于上区段采空区及下区段回采巷道在煤柱内产生支承压力叠加，靠近巷道侧煤柱内应力集中仍较大；当煤柱宽度为25～40 m时，由于煤柱宽度的加大，上区段工作面回采及下区段回采巷道掘进在煤柱内产生的支承压力并不会发生明显的叠加，靠近巷道侧的煤柱内应力集中恢复至巷道掘进水平。综合分析不同煤柱宽度下煤柱内的支承压力峰值可以发现，煤柱内的垂直应力峰值随着煤柱宽度的增大先增大后减小，并在10 m宽度时达到峰值，这是由于当煤柱宽度较小时，煤柱发生严重变形破坏，导致其承载能力大大降低，应力峰值较低；随着煤柱宽度的增大，上区段采空区及下区段回采巷道在煤柱中产生的支承压力相互叠加，应力峰值逐渐升高；但随着煤柱宽度的继续增大，上区段采空区及下区段回采巷道在煤柱中产生的相互叠加作用减弱消失，煤柱内的应力峰值又逐渐减小，恢复单采空区煤壁中的垂直应力峰值水平。

图5 回采巷道围岩变形随煤柱宽度的变化规律

3.3.2 巷道围岩位移破坏变化规律

如图5所示为南关矿三采区上区段采空区侧下区段回采巷道开挖后不同煤柱宽度条件下围岩的变形情况。由图可知，在下区段回采巷道开挖后，煤柱帮移近量最大，实体煤帮移近量次之，并且帮部变形量大于顶板变形量，底板变形量最小。随着煤柱宽度的增大，巷道围岩顶底板及两帮变形量均逐渐减小，在煤柱宽度大于25 m以后，巷道围岩变形量的减小幅度趋于零，且两帮移近量逐渐趋于相等，顶底板移近量也逐渐趋于相等。证明随着煤柱宽度的增大，下区段回采巷道受到上区段采空区的影响逐渐减弱，在煤柱宽度大于25 m后，逐渐不受影响。

图6 不同煤柱宽度巷道围岩中的塑性区分布规律

如图6所示为不同煤柱宽度条件下区段回采巷道围岩中塑性区分布情况，由结果可知，当煤柱宽度小于10 m时，巷道围岩中的塑性区分布范围大，整个煤柱都发生屈服破坏，此时巷道稳定性极差；当煤柱宽度较大时，巷道围岩中的塑性屈服区与采空区围岩中的塑性屈服区没有贯通，围岩中的塑性屈服分布范围较小，巷道稳定性得到提高。

综合应力和位移破坏的变化规律可知，随着煤柱宽度的减小，煤柱内的应力和下区段巷道的位移均为急剧升高的趋势，塑性屈服范围急剧增大；随着煤柱宽度的增大，煤柱内的应力和下区段巷道的位移则明显减小，塑性屈服范围减小。合理的煤柱宽度应该使得巷道处于低应力环境中；并且保证能够隔离上区段采空区，防止漏风发火；同时应能够最大限度节约煤炭资源，提高煤炭采出率。因此，在南关矿软弱的2号煤层和顶底板条件下，受到高应力环境的影响，南关矿应慎用小煤柱及沿空留巷的开采方式，在南关矿2号煤层三采区工作面间的煤柱合理宽度应不小于25 m。

4 工程应用

结合南关矿的生产地质条件分析，认为南关矿三采区回采巷道的煤柱宽度留设的关键影响因素为：煤岩层强度小，且目前为孤岛工作面，所受采空区支承压力大。因此，采用25 m宽煤柱后，在下区段回采巷道中着重加强对帮部软弱煤体进行支护，同时顶板角部采用斜跨锚杆，提高顶板岩体的抗剪强度并避免顶板的台阶式下沉等现象。支护参数为：顶锚杆为Φ20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，每排6根，间排距800 mm×800 mm；帮锚杆也选取型号为Φ20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，间排距850 mm×800mm；每根锚杆配用1节CK2355（里）和1节K2355（外）型锚固剂。顶锚索采用Φ17.8 mm×6 000 mm钢铰线，布置成“三花型”，间排距2000mm×800mm。帮锚索也采用Φ17.8 mm×6 000 mm钢铰线，以45°～60°支护，排距为1 600 mm；每根锚索配1节CK2355、2节K2355型树脂药卷。要求锚杆锚固力不小于80 kN，锚索预紧力不小于120 kN。支护断面如图7所示。