王剛

近年來(lái)，沿空掘巷技術(shù)開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。大多數(shù)是在中厚煤層中留設(shè)區(qū)段小煤柱進(jìn)行沿空掘巷，工作面采放高度一般小于 6m，礦山壓力顯現(xiàn)較平穩(wěn)。硯北煤礦為強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)礦井，采煤方法為特厚煤層分層綜放開(kāi)采。在該礦條件下特厚煤層分層綜放開(kāi)采留設(shè)小煤柱沿空掘巷技術(shù)的試驗(yàn)成功，將開(kāi)創(chuàng)特厚易燃煤層、分層綜放開(kāi)采條件下沿空掘巷技術(shù)的先例，將給周邊礦井同類(lèi)條件下的巷道布置和采掘技術(shù)帶來(lái)新的活力和革新，極大地提高資源回收率，減小礦山壓力對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響。

一、工作面情況

硯北煤礦現(xiàn)開(kāi)采 5# 煤層，最大開(kāi)采深度 800m 左右。5#煤為特厚煤層，平均厚度為 37. 5m，煤層傾角 0°～ 9°，煤層具有強(qiáng)沖擊地壓傾向性。采區(qū)煤巖綜合柱狀圖如圖 1所示。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在硯北煤礦 250206 上工作面運(yùn)輸巷。250206 上工作面傾向長(zhǎng) 200m，走向長(zhǎng) 2000m，工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采。250206 上工作面運(yùn)輸巷位于 5# 煤層中部，其頂部為 10m 左右的頂煤，底部為 10m 多的底煤； 東部是 250205 上工作面，中間留 7. 6m 小煤柱，西部是實(shí)體煤。工作面標(biāo)高為 + 1039 ～ + 1157m，運(yùn)輸巷埋深為 410m。工作面布置示意圖如圖 2 所示。

二、 煤柱寬度理論計(jì)算

護(hù)巷煤柱在受工作面回采影響時(shí)能保持穩(wěn)定的最小尺寸為區(qū)段煤柱的合理留設(shè)尺寸。要保持煤柱穩(wěn)定則需滿(mǎn)足的基本條件是： 留設(shè)煤柱本身的極限抗壓強(qiáng)度大于工作面采動(dòng)引起的超前側(cè)向支承壓力峰值，控制向煤柱深部發(fā)展的巷道裂隙不與采空區(qū)裂隙貫通，即： 區(qū)段煤柱中保持一定寬度的彈性區(qū)域。煤柱極限強(qiáng)度采用式（1） 計(jì)算：

式中，k 為應(yīng)力集中系數(shù)； γ 為巖層平均容重，MN /m3 ； H 為巷道埋深，m； η 為煤巖流變系數(shù)； σc 為煤巖試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。以煤巷兩幫應(yīng)力和極限平衡理論為依據(jù)，結(jié)合圖 3得出合理的最小區(qū)段煤柱寬度是：

式中，B 為區(qū)段煤柱寬度，m； x1 為煤柱在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m； x2 為錨桿錨入煤柱的深度，m， x3為安全系數(shù)，x3 = （0. 15 ～ 0. 35）（x1+ x2）；m為煤層厚度，m；A為側(cè)壓系數(shù)；C0和Φ0分別為煤層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；Px為巷幫的支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)硯北煤礦5# 煤層的賦存特點(diǎn)及煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，區(qū)段煤柱寬度計(jì)算所需各參數(shù)的選取見(jiàn)表 1，將表 1 中各參數(shù)值代入式（1）～ 式（3） ，計(jì)算得區(qū)段煤柱寬度 B = 7. 19m。

三、數(shù)值模擬分析

以硯北煤礦煤巖層物理力學(xué)參數(shù)及煤層柱狀圖為依據(jù)，建立 FLAC3D 數(shù)值模擬模型，參數(shù)選取參照表 2。為詳細(xì)分析不同寬度區(qū)段煤柱情況下煤巖受力變形情況，選取留設(shè)煤柱寬度為 3m、5m、10m、15m、30m 五種方式，分別模擬計(jì)算。

煤柱側(cè)的側(cè)向支承壓力分布情況如圖 4 所示；煤柱寬度與巷道圍巖變形的關(guān)系如圖 5 所示。分析圖 5 可知： 煤柱寬 30m 時(shí)，采動(dòng)后巷道頂板下沉量為67mm，兩幫移近量為 129mm；煤柱寬 15m 時(shí)，頂板下沉量較煤柱寬 30m 時(shí)增加 57mm，兩幫移近量增加141mm；煤柱寬 10m 時(shí)，頂板下沉量較煤柱寬 15m 時(shí)增加8mm，變化不大，兩幫移近量增加 64mm，其中，煤柱側(cè)幫位移增加 52mm，煤柱的剪切破壞深度達(dá) 3m； 可見(jiàn)，隨著煤柱尺寸越小，巷道變形量越大。僅留設(shè) 5m 寬煤柱時(shí)，巷道頂板下沉量較煤柱寬 10m 時(shí)減少 44mm，兩幫移近量增加36mm，煤柱內(nèi)全部發(fā)生剪切破壞。分析上述模擬結(jié)果，可得出留設(shè) 10m左右的煤柱是比較合理的。綜合分析理論計(jì)算結(jié)果、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)情況得出：煤柱合理留設(shè)寬度確定為7. 6m。

四、現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)分析

250206 上工作面運(yùn)輸巷與 205205 上工作面間按 7. 6m留設(shè)區(qū)段煤柱，并采用合理支護(hù)參數(shù)支護(hù)巷道。受相鄰采空區(qū)影響，巷道煤柱側(cè)幫側(cè)壓較大，但煤層頂板比較完整，巷道變形不明顯。

在工作面巷道內(nèi)安設(shè)測(cè)站，共設(shè) 7 個(gè)測(cè)站。測(cè)站包括兩個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)斷面，一個(gè)錨桿受力監(jiān)測(cè)斷面，兩個(gè)錨索受力監(jiān)測(cè)斷面。綜合整理分析觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)繪出了煤柱應(yīng)力的變化曲線(xiàn)，煤柱應(yīng)力變化呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：（1）區(qū)段小煤柱內(nèi)存在一個(gè)位置不變的應(yīng)力峰值區(qū)，該峰值區(qū)距采空區(qū)側(cè)煤壁 3～ 4m。工作面推進(jìn)過(guò)程中，峰值點(diǎn)右側(cè) 2m 范圍內(nèi)應(yīng)力逐漸升高，達(dá)到最大值后下降。說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)的煤體發(fā)生了從彈性變形向塑性變形的轉(zhuǎn)變。（2）區(qū)段小煤柱應(yīng)力峰值區(qū)兩側(cè)應(yīng)力迅速降低，且峰值區(qū)右側(cè)應(yīng)力值基本保持不變。說(shuō)明上區(qū)段采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)區(qū)段煤柱的影響已經(jīng)基本結(jié)束。（3）峰值區(qū)左側(cè)煤柱應(yīng)力明顯高于峰值區(qū)右側(cè)煤柱應(yīng)力。說(shuō)明由于采用合理的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)，提高了煤體的強(qiáng)度，使煤柱保持較高的承載能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

分析了沿空掘巷巷道所處位置應(yīng)力場(chǎng)的特征和煤柱與巷道圍巖的結(jié)構(gòu)關(guān)系，說(shuō)明了特厚煤層分層綜放開(kāi)采留小煤柱護(hù)巷是可行的。通過(guò)對(duì)留設(shè)不同寬度護(hù)巷煤柱下巷道應(yīng)力和變形的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析得出： 煤柱在巷道掘進(jìn)和回采期間都是主要的承載體。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的分析得到：①煤柱側(cè)向應(yīng)力最大值位于距采空區(qū)側(cè)煤壁 3 ～ 4m 范圍內(nèi)；②煤柱應(yīng)力峰值區(qū)左側(cè)煤柱應(yīng)力明顯高于峰值區(qū)右側(cè)煤柱應(yīng)力，說(shuō)明由于采用合理的支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)，提高了煤體的強(qiáng)度，使煤柱保持較高的承載能力。 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相符性較好，說(shuō)明了此種確定護(hù)巷煤柱寬度方法是合理可行的。區(qū)段小煤柱寬度在 6～ 8m 之間時(shí)，其中部存在一定范圍的彈性區(qū)域，因此，適合硯北煤礦條件的合理區(qū)段煤柱留設(shè)寬度應(yīng)為 6 ～ 8m。

（作者單位：銅川西川礦業(yè)有限公司）