金达煤业10402工作面回风顺槽区段煤柱留设研究

2021-10-22张鹏飞

煤矿现代化 2021年5期

张鹏飞

（山西煤炭运销集团金达煤业有限公司，山西吕梁 032300）

1 工程概况

金达煤业四采区10402综放工作面回风顺槽位于井田东南部的四采区。根据现场揭露情况，研究区域内9、10号煤层的层间距为6.9～12 m，10号煤层厚度为6.0 m，含多层夹矸，煤层相对稳定，10号煤层采用综放开采，工作面顺槽沿煤层底板布置，均为矩形断面。目前上覆9号煤层已经采空，正在开采10号煤层，其中10402工作面运输顺槽已经掘进完毕，正在掘进10402工作面开切眼，准备掘进10402工作面回风顺槽。

随着煤矿开采深度的加大，原岩应力升高，护巷煤柱宽度越来越大，不仅使得煤炭采出降低、巷道维护困难，传统的留设较宽的区段煤柱护巷的布置方式已不能满足要求，因此选择在10402综放工作面回风顺槽留区段煤柱沿空掘巷来提高煤炭采出率。

2 计算区段煤柱合理宽度

区段煤柱护巷的关键是煤柱宽度的确定，合理的煤柱宽度不仅能够保证巷道围岩变形量满足生产要求，还可以尽可能多地减少煤炭资源的损失。上区段开采后在煤体形成破裂区，塑性区，弹塑性区，弹性区，沿空巷道在煤体的塑性区和弹塑性区内开挖，巷道围岩不同的应力区域重新划分，建立沿空巷道力学模型，如图1所示。

按照煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论，结合护巷煤柱宽度与围岩变形量的关系，在考虑提高锚杆锚固力和支护作用的前提下，使煤柱尽可能小，综合影响巷道围岩稳定性的主要因素，可按下式确定合理的煤柱宽度B：

式中：x1为上区段工作面开采后在采空区侧煤体中产生的破裂区宽度，其值可由式（1）给出；x2为帮锚杆的有效长度，跟距金达煤业的实际情况，帮锚杆有效长度取2.2 m；x3为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定系数，按（x1+x2）（0.15～0.35）计算。

其中：m为上区段平巷高度，m；A为侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比，取0.25；ϕ0为煤体内摩擦角，°；C0为煤体内粘聚力，MPa；K为应力集中系数，取2～3；γ为煤岩层平均体积力，容重25k N/m3；H为巷道埋藏深度，m；Pz为煤帮的支护阻力，MPa；

10402回风顺槽各参数如下：m=2.9 m，K=2.5，ϕ0=23°，C0=2.1 MPa，γ=25 k N/m3，H=390 m，Pz=0.078 MPa，A=0.33，将各参数带入式（4.2）可得塑性区宽度x1为1.97 m。

将塑性区宽度塑性区宽度x1，帮锚杆的有效长度x2，代入式（2.1）可得区段煤柱的宽度B=x1+x2+x3=（1.15～1.35）（x1+x2）=4.77～5.61 m。

因此，由理论计算可得区段煤柱的合理宽度应为4.77～5.61 m。

3 数值模拟计算

3.1 数值模型的建立

为确定留设煤柱最宜宽度，通过数值模拟分析不同宽度煤柱下煤体情况。结合研究区域的地质条件和开采条件，确定数值模拟模型尺寸为长×宽×高=400 m×400 m×90 m，模型划分258 720个单元，272 646个结点。模型的4个侧面为位移边界，限制水平位移，底部为固定边界，限制垂直位移。模型模拟10号煤层厚6.0 m，煤层顶板50.2 m，底板33.8 m。模拟时煤层埋藏深度按此煤层最大埋深考虑，取390 m。煤层上覆剩余岩层的重力按均布载荷施加在模型的上部边界。数值模拟模型见图2。

图2 数值模拟模型图

3.2 数值模拟结果及分析

利用F LAC3D分别对留设煤柱宽度5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、8.0 m的沿空巷道进行数值模拟，对不同宽度煤柱条件下的巷道围岩及煤柱的受力特点进行分析，不同宽度煤柱时，区段煤柱内及10402回风顺槽的垂直应力分布曲线见图3。

图3 10402回风顺槽围岩的垂直应力分布曲线

根据图3中的垂直应力分布曲线可知，区段煤柱内的垂直应力呈现较为明显的非对称分布，主要集中在采空区侧，距离采空区0～3 m范围内应力集中比较明显。当煤柱宽度≥6.5 m时，随着区段煤柱宽度的增加，煤柱内的最大垂直应力基本稳定，煤柱宽度≥6.5 m比较利于区段煤柱的稳定。

通过对比煤柱下及采空区下方煤柱内回风顺槽一侧的垂直应力分布情况可知，区段煤柱内距离回风顺槽0.5～1.0 m处的垂直应力有轻微的应力集中，在0.5～2.0 m范围内的垂直应力逐渐下降并趋于稳定。由图4（a）（b）中的曲线图可知，当煤柱宽度为5.0 m时，回风顺槽一侧的垂直应力集中较为明显，最大应力出现在距离回风顺槽0.75 m处，距离回风顺槽0.75～1.75 m范围内的垂直应力明显下降；当煤柱宽度大于等于6.5 m时，回风顺槽侧的应力分布较为平缓，有利于回风顺槽一侧巷道的维护。图4（c）（d）中回风顺槽工作帮的垂直应力分布曲线可知，回风顺槽工作帮的垂直应力由巷道表面到煤壁深部呈现先增加后降低并逐渐趋于稳定的趋势，应力集中出现在距离煤壁0～3.0 m范围内。随着区段煤柱宽度的增加，对应位置的垂直应力逐渐降低。

3.3 不同宽度煤柱下塑性区分布

在相同的开采条件下，利用F LAC3D分别对留设煤柱宽度5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、8.0 m的沿空巷道进行数值模拟，得出回风顺槽围岩塑性变化分布规律。如图4所示。

图4 区段煤柱内及10402回风顺槽围岩塑性破坏图

由图4可知，区段煤柱的塑性破坏主要体现在煤柱采空区侧的煤壁及顶煤、区段煤柱内部、回风顺槽巷道表面塑性破坏，且由于巷道的支护作用，回风顺槽的表面破坏范围较小，巷道围岩较为稳定。当煤柱宽度为5.0 m时，区段煤柱内采空区侧破坏严重，采空区侧顶煤发生较大面积的塑性破坏，顶煤破坏深度为2.0～2.5 m，随着煤柱宽度的增加，回风顺槽顶板塑性破坏逐渐减少，当煤柱宽度大于6.0 m时，采空区侧的顶煤破坏与煤柱内部的塑性破坏区未贯通，由此可见，煤柱宽度大于6.0 m时，比较有利于区段煤柱的稳定。

根据区段煤柱内的应力分布及围岩破坏情况，煤柱宽度≥6.5 m时，煤柱内及回风顺槽的围岩应力有利于巷道的维护，煤柱及回风顺槽的围岩破坏也有利于围岩的稳定，建议区段煤柱宽度取6.5 m。

4 工程实践

留设煤柱后，根据工作面的实际布置情况，对工作面回风顺槽巷围岩稳定性进行监测，来探究留设区段煤柱的稳定性及合理性。在回风顺槽中每相隔50 m采用十字布点法布置1个表面位移测站，共计布置2个测站。测站的监测数据如图5所示。

图5 巷道表面位移监测

根据图5监测曲线可知，1号监测点顶底板1-12 d内变形较为剧烈，15 d后基本趋于平缓。其中最大顶板移近量为82 mm，平均每天移近1.37 mm。两帮移近量相对较大，该移近量在1-24 d内变化较为剧烈，34 d后趋于平缓。其中两帮最大移近量为144 mm，平均每天移近量2.4 mm。

2号监测点顶底板1-14 d内变形较为剧烈，16天后基本趋于平缓。其中最大移近量为86mm，平均每天移近量1.41 mm。两帮移近量相对较大，该位置在1-25 d变形较为剧烈，之后35 d趋于平缓。其中两帮最大移近量为159 mm，平均每天移近量为2.52 mm。根据以上分析可知，两帮移近量和顶板移近量变形在可控范围内，可认为巷道整体支护手段有效可行。