游 曉 輝

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣033602）

1 工程概況

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦21采區(qū)13# 煤23111 綜采放頂煤工作面位于21 采區(qū)回風、帶式輸送機、輔運上山西側(cè)，南部為實煤區(qū)，北部為23113 采空區(qū)。工作面上覆為8 號煤層18113、18101 工作面采空區(qū)，距上部采空區(qū)層間距約56.2m。23111 工作面煤層厚度為13.50 ～15.80m，平均為14.79m，煤層傾角為9.7～15.8°，平均傾角13.5°，工作面傾斜長度122.25m，可采走向長度1500m，工作面頂?shù)装迩闆r詳見表1。為進一步提高23111 工作面的采出率，確定23111 運輸巷掘進施工時護巷煤柱的最優(yōu)寬度，本文以23111 工作面區(qū)段煤柱的合理留設(shè)寬度為背景展開研究。

表1 23111 工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 煤柱合理寬度理論計算

參閱相關(guān)的研究成果[1～2]，煤柱受載后的壓縮變形量和煤柱的強度與煤柱的寬高比呈正相關(guān)，其具體的關(guān)系如圖1（a）所示，煤柱的最大壓縮變形量和強度隨著寬高比的增大明顯提高，寬高比在0～4 之間變化時，煤柱的最大變形量變化最為明顯，當寬高比大于4 時，煤柱的最大壓縮變形量基本不再增大，當煤柱寬高比在3.0 左右時，煤柱的最大壓縮量小于7mm/m，且煤柱強度呈穩(wěn)步增長的趨勢，煤柱將保持較好的完整性和穩(wěn)定性，有利于回采巷道圍巖變形的控制，綜合考慮煤柱完整性和巷道穩(wěn)定性等因素，23111 運輸巷護巷煤柱的寬高比應(yīng)小于3，23111 工作面煤層均厚為14.8m，則區(qū)段煤柱寬度應(yīng)小于44.4m。

圖1 煤柱合理寬度確定相關(guān)示意圖

區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度對于回采巷道的圍巖穩(wěn)定性具有重大的影響，工作面開采引起的動壓及超前支承壓力影響下，區(qū)段煤柱內(nèi)的損傷破壞不斷累加，若煤柱寬度過小將導(dǎo)致煤柱喪失其原有的支承能力，巷道煤壁幫的錨桿將失效，最終導(dǎo)致回采巷道出現(xiàn)破壞失穩(wěn)，因此，區(qū)段煤柱的寬度應(yīng)大于極限平衡條件下的區(qū)段煤柱寬度，其合理寬度的計算模型如圖1（b）所示。依據(jù)極限平衡理論，煤柱寬度應(yīng)滿足：

式中：B 為煤柱最小寬度，單位：m；x0為臨近工作面回采后煤柱體塑性區(qū)的寬度，單位：m；x2為回采巷道煤柱側(cè)錨桿長度，單位：m；x3為煤柱內(nèi)部的彈性核區(qū)，按照經(jīng)驗取(0.15～0.55)(xl+x2)；式（1）中的x0計算公式如下[3]：

式中：m 為工作面采高，23111 工作面為14.8m；A 為側(cè)向壓力系數(shù)，A=μ/1-μ，其中μ 為泊松比，取0.56；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，為29.6°；C0為煤層界面的黏聚力，為1.64MPa；k 為應(yīng)力集中系數(shù)，取2；γ 為上覆巖層平均容重，取0.25MN/m3；H為工作面平均埋深，為274m；Px為煤壁側(cè)向平均約束力，臨近工作面回采巷道采用錨桿支護，取0.3；將以上參數(shù)代入式（2）計算可得x0=4.45m，回采巷道煤柱側(cè)錨桿長度為2.4m，煤柱內(nèi)部的彈性核區(qū)寬度為0.25（6.45+2.5）=1.74m，代入式（1）計算可得，區(qū)段煤柱合理寬度B≥8.6m，綜上可知，斜溝煤礦23111 運輸巷掘進時煤柱段寬度應(yīng)滿足8.6m≤B≤44.4m。

3 區(qū)段煤柱合理尺寸模擬研究

為進一步確定斜溝煤礦23111 運輸巷掘進時區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度，根據(jù)23111 工作面詳細的地質(zhì)資料和煤巖層物理力學參數(shù)，采用FLAC3D 軟件構(gòu)建區(qū)段煤柱數(shù)值計算模型，模型沿煤柱剖面建立，模型的Y 軸為工作面推進方向，X 軸為工作面的傾斜方向，Z 軸為高度，模型的尺寸為X×Y×Z=400×8×250m，工作面埋深為274m，模型頂部施加6.85MPa 均布載荷，模型前后邊界Y 方向的位移為0，左右邊界X 方向的為0，底部邊界X、Y、Z 方向的位移為0，模擬方案：①模型各單元初始應(yīng)力均達到10-5 數(shù)量級為初始應(yīng)力平衡，得到初始應(yīng)力場；②首先進行臨近23113 工作面的開挖；③分別留 設(shè)8、10、13、15、20、30m 寬 的 區(qū) 段 煤 柱 進 行23111 運輸巷的開挖；④進行23111 工作面的回采。

圖2 煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布

區(qū)段煤柱在一次采動、掘進及二次采動影響下，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布及應(yīng)力變化規(guī)律如圖2、圖3 所示，煤柱寬度為8～10m 時，兩側(cè)采空后煤柱內(nèi)塑性損傷破壞區(qū)覆蓋整個煤柱，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力達47.8～51.6MPa，煤柱在高應(yīng)力作用下對煤柱整體造成破壞，煤柱的支承能力驟降，此時回采巷道將出現(xiàn)嚴重的變形破壞；當區(qū)段煤柱大于等于13m 時，煤柱兩側(cè)的塑性損傷破壞區(qū)中部保有明顯的彈性核區(qū)，塑形區(qū)范圍呈“X”型分布，其寬度隨著煤柱寬度的增大逐漸增加，彈性核區(qū)的寬度分別為4、9、17、27m，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力開始呈“M”型分布，煤柱中部應(yīng)力明顯降低，根據(jù)前文計算的結(jié)果，煤柱內(nèi)彈性核區(qū)的寬度最小為1.74m，其中，煤柱寬度為15m 時，煤柱中部彈性寬度為9m，且煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力基本呈“M”型分布，綜合考慮經(jīng)濟、安全等因素，設(shè)計23111 工作面區(qū)段煤柱寬度為15m。

圖3 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

根據(jù)以上研究成果最終確定23111 工作面區(qū)段煤柱寬度為25m，為評價區(qū)段煤柱留設(shè)效果，探測煤柱整體的穩(wěn)定性，在23111 運輸巷煤柱幫布置三個窺視鉆孔，鉆孔的位置詳情如圖4（a）所示，工作面回采期間，超前工作面20m 進行鉆孔窺視，觀察不同深度鉆孔圍巖裂隙的發(fā)育程度，整理得到圖4（b）所示的結(jié)果，由圖可知，整體而言各個鉆孔內(nèi)裂隙的數(shù)量差異較大，隨著深度的增大，煤體內(nèi)裂隙的數(shù)量注漿減小，當深度在0～3m 范圍內(nèi)時，各個鉆孔煤體內(nèi)的裂隙數(shù)量均較多，煤體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的征兆，孔壁甚至發(fā)生局部的坍塌：深度在3～7m 時，鉆孔內(nèi)的裂隙已顯著減少，孔壁整體較為粗糙，煤體較為完整；孔深為7～10m，孔壁整體較為光滑，僅存在少數(shù)且細小的裂隙。23111 運輸巷圍巖位移監(jiān)測結(jié)果表明，頂?shù)装遄畲笙鄬σ平繛?89mm，兩幫最大移近量為324mm，能夠滿足工作面的正?；夭傻臄嗝嫘枨?。綜上分析可知，在二次采動影響下，煤柱在回采側(cè)松動破壞范圍約為7m，煤柱中部存在一定寬度的彈性核區(qū)，煤柱的完整性和承載能力較好，巷道的變形量在安全可控的范圍內(nèi)，15m 的區(qū)段煤柱較為合理。

圖4 23111 工作面煤柱寬度合理性監(jiān)測

5 結(jié) 論

斜溝煤業(yè)13#煤層區(qū)段煤柱寬度為35m，為進一步提高資源的利用率，采用理論分析計算、數(shù)值模擬等方法對區(qū)段煤柱的合理寬度進行優(yōu)化，并依據(jù)23111 工作面詳細的工程地質(zhì)條件，理論研究確定區(qū)段煤柱寬度應(yīng)在8.6～44.4m，數(shù)值模擬確定最佳煤柱寬度為15m，現(xiàn)場應(yīng)用期間通過鉆孔窺視表明，煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)，煤柱完整性和承載能力較好，且23111 運輸巷的位移也在合理可控的范圍內(nèi)，證明15m 的區(qū)段煤柱是安全可靠的，并取得了良好的經(jīng)濟效益。