煤柱宽度对煤巷稳定性的影响

2021-04-15暴雪峰

西部探矿工程 2021年4期

暴雪峰

（晋城无烟煤集团公司寺河煤矿，山西沁水048200）

为了应对采动高应力的作用，国内外广泛采用的是留煤柱维护巷道的方法，主要有两种趋势，一种留宽煤柱方式，目的是为了避开采动支承压力的峰值，降低采动高应力对巷道的破坏；另一种为窄煤柱护巷，将煤柱设计在压力降低区内来保证巷道的稳定，后者主要应用于回采巷道[1-5]。以往国内外主要用理论计算、经验估值等方法来对煤柱的宽度进行确定，但是影响护巷煤柱稳定性的因素很多，这些方法局限性较大，只有在类似的地质条件中才有借鉴的意义，相比传统计算方法，数值模拟的优势在于能考虑众多的影响因素，并且可以通过对不同参数下的结果比较分析进而得到一个合理的结果，为优化巷道布置和确定合理煤柱宽度提供了参考依据。

1 工程地质概况

晋煤集团寺河煤矿位于嘉丰镇，属于沁水煤田的一部分，它整体地质情况呈现东南高、西北低，并且西北部分是向斜构造轴区，井田内主要可开采的为一水平的3#无烟煤，其上覆岩层的厚度为320～502m，地压8.00～12.55MPa。煤层巷道从上到下依次是细粒砂岩、泥岩、煤层，它老顶由细粒砂岩构成，总体厚度较大，一般为9m左右，能够形成自稳结构。

2 数值计算模拟

为了进一步弄清回采期间动压影响的范围和不同宽度下煤柱内部破坏特征，本文建立长500m、高60m、宽400m 的模型，把整个6302 工作面所可能影响的范围都包括其中，为了简化模型，在上部的岩层重力采用450m 的等效均布载荷来替代。岩层的平均密度为2500g/cm3，侧压系数为1.2。上边界自由，其余边界位移固定。其顶底板力学性能如表1所示。

3 回采期间煤柱稳定性分析

表1 数值计算中模型岩层的力学参数

6302 工作面回采期间63021 巷与63025 巷之间煤柱在宽度为多少的情况下内部有稳定的支撑区是本次分析的重点。由于63025 巷后期作为盘区进风大巷使用，因此确保回采过程中巷道的围岩的稳定性尤为重要。在工作面回采过程中，区段煤柱首先受到的是工作面产生的超前支承压力，然后随着工作面的持续推进而受侧向支承压力，最后在本区段采空区后方承担采空区支承压力[6-8]，这三次压力动压对巷道围岩稳定性的影响都远远超过原岩应力，对煤柱的影响较大。由于63021 巷与63025 巷之间的煤柱经历了巷道掘进和回采两次动压的影响，应力环境相对复杂，造成巷道破坏严重，后期维护比较困难。本区段煤柱能否保持稳定性的关键是回采后内部是否存在合理的弹性支撑区，下面主要从回采期间煤柱内的塑性区的变化和巷道围岩的变形量来判断煤柱的宽度是否满足要求。本文利用UDEC分别以宽度是9m、11m、13m、15m、17m、19m 的煤柱作为此次分析研究的对象来进行模拟分析。其工作面巷道布置图如图1所示。

3.1 不同宽度下煤柱内塑性区分布特征

图1 工作面巷道布置图

在6302 工作面回采过程中，由于受到动压的影响本区段煤柱内产生塑性变形，并且随着回采面的推进，煤柱内力学状态进一步变化，待回采完成，后方顶板垮落形成固定支撑区后，煤柱内的塑性变形达到一个稳定状态，图2为不同宽度的煤柱其内弹性区和塑性区分布情况。

图2 回采期间不同宽度煤柱内塑性区分布图

由图2 可知在6302 工作面回采结束动压稳定后，其留巷煤柱内塑性区分布情况如下：

由于煤柱受到回采动压的影响，在其内部发生塑性变形，并且随着煤柱宽度的增加塑性区域范围也不断变大，当煤柱宽度达到一定值时开始出现弹性区。特别是煤柱宽度为9～13m时，于塑性变形贯穿整个煤柱，并且呈“人”字型分布延伸到63025巷底板中，造成底板变形严重，巷道顶板中也出现一定的塑性区域，存在失稳的可能；当留巷煤柱宽度达到17m时，其内有了一定的弹性区，而塑性变形主要集中煤柱回采一侧基本顶断裂处的正下方，此时煤柱具备一定的支撑能力，并且巷道底鼓梁明显减小，顶板中塑性区域基本消失。通过对比上面图中塑性变形的分布的情况可知，当宽度为9～13m时，煤柱内部塑性变形范围随着宽度的增加而增大，在煤柱宽度为17m时塑性区范围相对最小，而当煤柱宽度进一步增加时，塑性区的范围没有明显收敛的趋势。并且从巷围岩破坏形式上可以看出，巷道的塑性变形的主要表现为底鼓和两帮变形，63021巷顶板的塑性区范围比63025巷顶板更大，其主要原因是采空区边缘基本顶在周期来压不断断裂的情况下造成回转下沉，基本顶下方煤岩体被强烈压缩导致。

3.2 不同煤柱宽度下巷道围岩的变形情况

由于63025 巷作为进风巷对东六盘区后续工作面的供风巷道，因此，尽可能减小巷道围岩变形，保证巷道始终维持合理的横截面积对正常进风有着决定性作用。其不同宽度煤柱下巷道围岩变形情况如图3所示。

图3 巷道围岩变形与煤柱宽度关系

由图3 可见，在工作面回采期间63025巷围岩的变形主要表现为右帮变形和底鼓，左帮和顶板的变形情况相对较小。顶板下沉量、底鼓量以及两帮变的形量总体上都随着留巷煤柱宽度的增而程减小的趋势，并且当煤柱宽度由小增大到15m时巷道围岩的变形速率也开始变小，这与前面模拟中此时煤柱内开始出现弹性区的结果相一致。

3.3 侧向支撑压力对煤柱宽度的影响

工作面回采产生侧向支承压力，从采空区由近到远依次为应力降低区、应力升高区和原岩应力区。根据留巷原则，煤柱及巷道设计位置于应尽量避开压力升高区，将有利于使巷道避开受回采压力的影响，降低巷道后期维护的难度，在6302回采期间其应力分布如图4所示。

图4 侧向支撑压力

图4为采空区侧向支承压力分布图，由图可看出工作面回采后，6302 采空区边界侧向支承应力的最大值出现在距离采空区边缘为10m 的地方，应力峰值为29MPa，之后在约20m 处趋于稳定，此时的应力值为10MPa左右；水平应力呈现也先增加后减小的趋势，峰值大小为15MPa，峰值位置在11m处，在20m左右处开始稳定，稳定后的应力为7MPa。结合前面的模拟结果可知，在煤柱宽度为9～15m 时，巷道无论水平还是垂直位移都比较大，所以将距6302工作面的4～15m范围作为侧向支承压力的应力升高影响区。

根据留设煤柱应避开垂直应力升高区的影响范围的原则，63021巷与63025巷之间煤柱的宽度或者小于9m或者大于15m，但是结合上面的巷道变形的分析结果可知当煤柱小于9m时，煤柱内部整个区域都发生塑性变形，失去了可承载性，起不到支撑作用。因此，煤柱宽度应该大于15m。综合考虑上面模拟分析中巷道的塑性变形情况和侧向支撑压力的分布范围，巷道的煤柱宽度定为17m 比较合适，既保障了巷道支撑的稳定性，又尽可能减少煤柱过大造成的资源浪费。