弱胶结软岩地层大巷保护煤柱宽度的优化

李景涛， 马成甫， 张 闯， 任 强， 于凤海， 计鹏举， 周 凯

(1.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司， 内蒙古 鄂尔多斯 014323； 2.山东科技大学 能源与矿业工程学院， 山东 青岛 266590)

0 引 言

大巷服务年限较长，其完整性对煤矿安全高效开采起到重要作用[1-3]。弱胶结软岩的特殊性质导致顶板覆岩沉降程度与其他条件有较大差别，使得该条件下大巷保护煤柱的合理优化至关重要。目前针对不同工况下大巷煤柱宽度研究较多。其中，张向阳等[4]针对巷道群影响下大巷煤柱宽度进行研究，结合采动效应提出合理煤柱宽度。文献[5-9]对近距离煤层、厚煤层及综放工作面等开采条件下大巷保护煤柱合理宽度也进行了深入研究。井庆欢等[10]对软岩条件保护煤柱宽度选择问题进行研究，提出结合软岩巷道矿压显现情况确定大巷合理煤柱宽度。蒙西地区矿区围岩胶结性差，遇水易泥化，属于典型弱胶结软岩[11-12]，回采后覆岩沉降显著，导致超前支承压力变化明显，对于该条件下大巷保护煤柱合理宽度研究相对较少，尤其是针对现场实测分析相对不足，大巷保护煤柱确定较为困难。

笔者以西部某矿区典型弱胶结软岩工作面为工程背景，采用理论分析、现场监测等方法初步设计大巷煤柱宽度范围，建立数值模型对煤柱宽度进一步模拟，从而对弱胶结软岩大巷保护煤柱宽度进行优化。

1 工程地质概况

蒙西鄂尔多斯地区红庆梁矿主采3-1煤层，一盘区中11303工作面宽度为275 m，走向长度约4 475 m。11303工作面、巷道与大巷位置关系如图1所示。

图1 11303工作面巷道位置与大巷关系示意Fig. 1 Schematic of relationship between roadway location and main roadway of 11303 working face

11303工作面煤层厚度约3.0～5.6 m，顶板主要为砂质泥岩及砾岩层，底板主要分布砂质泥岩与粉砂岩，砂质泥岩单轴抗压强度为15.35～25.71 MPa，顶底板强度低，胶结性较差，遇水易泥化，属于典型弱胶结软岩。11303工作面末采阶段顶底板分布情况如表1所示。

表1 11303工作面末采阶段顶底板分布情况

弱胶结软岩地层围岩强度低，顶板岩层层位间胶结性差，受采动基本顶垮落后，易出现覆岩整体性回转下沉直至地表，导致超前支承压力影响程度对比其他工程地质条件出现明显增加，对大巷保护煤柱稳定性影响显著，因此需要在煤柱宽度设计过程中着重考虑覆岩沉降影响。

2 保护煤柱合理宽度设计

2.1 设计原则

为保证大巷正常安全使用，大巷保护煤柱宽度设计时需要避开工作面回采超前支承压力影响及大巷开挖后围岩应力影响。弱胶结软岩工作面上覆岩层沉降明显，因此在该条件下大巷煤柱设计时不仅需避开工作面及巷道应力影响范围，还需要考虑覆岩破断下沉导致支承压力显著增加带来的影响。

2.2 理论计算

工作面回采后超前煤体支承压力重新分布，为保证大巷长时间稳定，需要将大巷位置确定在超前支承压力及大巷开挖应力影响范围以外，如图2a所示。若出现大巷煤柱宽度过小出现超前支承压力与大巷开挖后应力影响区域相叠加，则此时煤柱宽度过小，可能影响到大巷正常使用。

通过上述分析可知，煤柱宽度范围为

b=x1+x2+x3，

(1)

式中：b——煤柱宽度，m；

x1——采动影响支承压力塑性区范围，m；

x2——弹性区范围，m；

x3——大巷开挖后应力影响范围，m。

依据弹塑性力学分析，采动影响支承压力影响塑性区范围及弹性区范围[13-14]分别为

(2)

(3)

式中：h——煤层厚度，取4 m；

φ——摩擦角，取26°；

K——最大应力集中系数，取2；

τ0——内聚力，取1.2 MPa；

β——侧压系数，取2.2；

f——煤层与顶底板间的摩擦因数，取0.15；

H——煤层埋深，取480 m；

γ——覆岩平均容重，取25.48 kN/m3。

图2 不同煤柱宽度煤体应力分布情况Fig. 2 Stress distribution of coal body with different pillar width

由于弱胶结软岩顶板覆岩采动后沉降显著，其对超前支承压力影响较为明显，因此在进行弱胶结软岩支承压力塑性区及弹性区计算时，需要考虑覆岩破断因素，将式(2)及式(3)加入破断影响系数后，支承压力影响塑性区范围x1及弹性区范围x2修正为

(4)

(5)

式中，c——覆岩破断影响系数，取1.05～1.15。

将煤岩具体参数代入式(4)和(5)，得x1=42.72 m，x2=23.38 m。

依据岩体力学可知，大巷围岩应力影响区以6倍巷道断面半径计算，红庆梁煤矿大巷尺寸为 5.4 m×3.6 m，按照巷道外接圆计算大巷围岩应力影响范围小于19.47 m，取x3为19.47 m。通过理论计算设计11303工作面大巷煤柱宽度为L=x1+x2+x3=85.57 m。

2.3 现场实测

大巷保护煤柱宽度的设计原则是要避开11303工作面超前支承压力影响，除理论计算外，现场实测能够更为准确获取支承压力分布规律。通过分析超前支承压力分布规律及覆岩充分沉降后巷道宏观矿压显现特征对大巷煤柱宽度进行设计。

2.3.1 超前支承压力影响范围实测确定

(1)超前支承压力分布规律

针对11303工作面分别进行超前巷道支承压力监测，具体监测手段为钻孔应力监测，具体监测位置及结果如图3所示。其中，与工作面距离为L。

图3 回采过程中超前支承压力现场监测区域及结果Fig. 3 Field monitoring area and results of excess front bearing pressure in mining process

由图3b可知，3-1煤工作面回采过程中，在距离工作面90 m时，钻孔应力开始出现明显增加，推断超前支承压力影响范围为90 m。因此为避开超前支承压力影响范围，大巷煤柱宽度应大于90 m。

(2)超前巷道矿压显现特征

11301与11303工作面临近巷道均在超前工作面不同位置出现不同程度矿压显现现象，11301工作面巷道在超前96 m范围内开始出现底板轻微开裂，表明自该处开始，巷道受到超前支承压力影响，从而推断11301工作面回采过程中超前支承压力影响范围达到96 m以上；11303工作面在回采过程中，超前工作面71 m回风巷道底鼓及顶沉程度明显增加，巷道完整性差底鼓量最大可达800 mm以上，由此推断超前支承压力影响范围大于71 m。

依据工作面超前支承压力分布特征得出要避开超前支承压力影响范围，大巷煤柱宽度应大于90 m；通过超前巷道矿压显现规律得到煤柱宽度应大于96 m，结合现场实测获取大巷保护煤柱宽度应大于96 m。

2.3.2 覆岩沉降影响宏观观测

该矿3-1煤11301工作面已采完及覆岩已基本完成沉降，通过研究11301工作面完全沉降后煤柱留设宽度对巷道矿压显现影响将对后续工作面的停采位置选择提供现场依据。

(1)现场观测区域

为方便11301工作面快速回撤，在11301停采位置与辅运大巷间新掘11301撤架巷，11301停采线距离撤架巷111 m，具体观测巷道与停采线位置关系如图4所示。

图4 11301停采线与超前巷道位置关系示意Fig. 4 Schematic of location relationship between 11301 stoping line and advance roadway

(2)宏观矿压显现

11301工作面距离11301副撤架巷111 m，观测时间距停采均已达25个月，此时覆岩沉降基本完成。具体现场观测情况如图5所示。

由图5可知，11301撤架巷整体无明显顶沉、底鼓等剧烈矿压显现现象,帮部完整性较好,喷浆层大部分完好,顶板部分喷浆区域出现轻微开裂现象,巷道整体稳定性较好,由此可见，当11301撤架巷与大巷护巷煤柱宽度为111 m时基本能够保证覆岩充分沉降后的巷道稳定。

图5 11301撤架巷矿压显现情况Fig. 5 Ground pressure appearance of 11301 removal roadway

依据理论分析、现场超前支承压力实测分别得到11303工作面大巷保护煤柱分别需大于85.57和96 m，通过对停采后25个月后巷道进行宏观观测得到当煤柱宽度为111 m时巷道完整性较好，因此考虑覆岩充分沉降后大巷保护煤柱宽度应大于96 m，具体煤柱宽度还需通过数值模拟进行优化。

3 弱胶结软岩大巷煤柱宽度优化

3.1 数值模型建立

依据11303工作面末采区域工程地质条件建立模型，将模型底部及侧面固定，在顶板施加垂直向下应力模拟上覆岩层影响。模型尺寸为320 m×300 m×52 m，采用库伦摩尔模型，具体模型形状如图6所示。

图6 数值模型Fig. 6 Numerical model

模型从底部向上共分为6层，分别为细砂岩、砂质泥岩、煤层、砂质泥岩、砾岩及细砂岩。顶底板各岩层及煤层的力学参数如表2所示。

表2 岩层物理力学参数

3.2 数值模拟结果分析

依据理论分析及现场监测得出煤柱宽度需大于96 m，因此确定4种停采模拟方案，即停采位置分别为距离3-1煤辅运大巷140、130、120及110 m。11303工作面回采至不同位置处煤柱应力分布及变形破坏情况及如图7、8所示。

图7 不同煤柱宽度破坏范围及超前支承压力影响范围Fig. 7 Failure range of different coal pillar widths and influence range of advance abutment pressure

由图7可知，11303工作面回采至距离3-1煤辅运大巷140、130、120及110 m时，超前塑性区最大范围由21 m增加至24 m，最大破坏位置由11303工作面中部向11303回风侧转移。侧向破坏范围为25～30 m。超前支承压力影响范围从140 m煤柱的58 m逐渐增加至120 m煤柱的62 m；侧向破坏范围由140 m煤柱的25 m逐渐增加至110 m煤柱的30 m。

图8 不同煤柱宽度塑性区分布及破坏范围结果Fig. 8 Plastic zone distribution and failure range results of different coal pillar width

大巷煤柱宽度由130 m减小到120 m时，超前、侧向破坏区范围及侧向支承压力应力集中系数增加不明显，超期前支承压力影响范围减小程度较低，因此通过模拟结果将11303工作面与3-1煤辅运大巷煤柱宽度优化为120 m。

4 结 论

(1)以西部红庆梁矿11303工作面为研究对象，依据工程情况建立大巷煤柱力学模型，考虑弱胶结地层特性及覆岩破断影响，通过理论计算获取大巷煤柱宽度应大于85.57 m。

(2)依据现场钻孔应力等监测手段及超前巷道现场观测获取工作面超前支承压力影响范围大于96 m，通过对覆岩充分沉降后巷道矿压显现宏观观测获取煤柱宽度为111 m时巷道能够保持较好稳定性。

(3)依据工作面末采阶段建立数值模型，分别模拟不同煤柱宽度情况下煤体内部塑性分布，获取超前及侧向破坏范围及超前支承压力影响范围。结果表明：随煤柱宽度减少，煤柱内部塑性区范围增加，在煤柱宽度减小至120 m后，塑性区及超前支承压力降低不明显，因此，大巷保护煤柱宽度优化为120 m。