劉 林

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

巷道是煤礦井下采煤的基礎(chǔ)組成，而巷道掘進(jìn)、支護(hù)所耗費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用都普遍占到全礦生產(chǎn)成本總費(fèi)用的30%以上，而且采掘接替問(wèn)題也是目前制約礦井年產(chǎn)量的主要因素之一。為保證煤炭回收率，現(xiàn)代化礦井設(shè)計(jì)巷道時(shí)必須盡量減小與采煤工作面的距離，但采煤動(dòng)壓影響與距離呈反比關(guān)系，因此這就需要在設(shè)計(jì)時(shí)尋找兩者之間的一個(gè)平衡點(diǎn)。

1 工程概況

同忻煤礦隸屬于山西同煤集團(tuán)，是一座年產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)t的國(guó)有特大型礦井，現(xiàn)有職工1103人，井田面積84.52km2，可采儲(chǔ)量為8.47億t。同忻煤礦于2007年建成投產(chǎn)，2010年達(dá)產(chǎn)，現(xiàn)為同煤集團(tuán)主力礦井。該礦井8310工作面布置在三盤(pán)區(qū)輔運(yùn)大巷東北側(cè)，采用單一走向長(zhǎng)壁式開(kāi)采，工作面停采線與三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷之間需留設(shè)保護(hù)煤柱，為避免巷道受動(dòng)壓影響破壞，因此需要設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱的合理寬度（見(jiàn)下圖1）。本項(xiàng)目采用“理論計(jì)算+數(shù)值模擬”并參照其他煤礦經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定最終煤柱寬度。

2 保護(hù)煤柱最小寬度理論計(jì)算分析

三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷沿煤層底板掘進(jìn)，凈斷面：5.2（凈寬）×3.7（凈高）=19.24m2。本煤層平均厚度14.13m，傾角0～4°，為近水平煤層，煤層埋深約350m。老頂厚度12.71m，巖性為含礫粗砂巖、細(xì)砂巖；老底厚5.18m，為細(xì)砂巖，整體結(jié)構(gòu)較完整，便于大巷掘進(jìn)。

2.1 單位寬度保護(hù)煤柱強(qiáng)度估算

保護(hù)煤柱強(qiáng)度與諸多因素有關(guān)，包括煤柱尺寸、煤層強(qiáng)度、地質(zhì)條件等等，在此采用英國(guó)Obert學(xué)者改進(jìn)后的經(jīng)驗(yàn)公式估算單位寬度煤柱支承強(qiáng)度σ（見(jiàn)圖1）[1]，根據(jù)該公式并參考其他煤礦經(jīng)驗(yàn)，在此計(jì)算40～90m寬保護(hù)煤柱其單位寬度支承強(qiáng)度（每增加10m為一檔），數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 本項(xiàng)目布置平面簡(jiǎn)圖

式中：σc為保護(hù)煤柱試件單軸抗壓極限強(qiáng)度，13.2MPa；a為保護(hù)煤柱寬度，m；M為保護(hù)煤柱高度，14m。

表1 不同寬度保護(hù)煤柱單位寬度支承強(qiáng)度

2.2 保護(hù)煤柱總載荷計(jì)算

三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱載荷P由兩部分組成：巷道開(kāi)挖后其上部巖層載荷P1及采煤工作面頂板垮落產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力P2，其中P1的計(jì)算公式見(jiàn)（2）[2]所示。

式中：b為巷道寬度，5.2m；γ為煤層上覆巖層平均容重，0.025MN/m3；H為 煤層埋深，350m。

采煤工作面頂板垮落產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力P2，該值與煤柱的支承壓力大小有正比例關(guān)系，而煤柱的支承壓力又由其單軸抗壓極限強(qiáng)度σc決定，因此相關(guān)學(xué)者通過(guò)總結(jié)大量經(jīng)驗(yàn)得出P2計(jì)算公式，見(jiàn)（2-3）[3]。

式中：k為 應(yīng)力集中系數(shù)，σc＞25MPa，k取3；σc≤25MPa，k取2.5。

2.3 單位寬度保護(hù)煤柱平均應(yīng)力計(jì)算

保護(hù)煤柱單位寬度平均應(yīng)力S等于保護(hù)煤柱總載荷P（P=P1+P2）與保護(hù)寬度的比值，具體計(jì)算公式見(jiàn)（4）[4]，而不同保護(hù)煤柱寬度的單位寬度平均應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 不同寬度保護(hù)煤柱單位寬度平均應(yīng)力

通過(guò)對(duì)比表1、表2的數(shù)據(jù)可知：①隨著保護(hù)煤柱寬度逐漸加大，單位寬度的強(qiáng)度在增加，而平均應(yīng)力在減小，煤柱寬度越大，對(duì)巷道保護(hù)越有利；②當(dāng)煤柱寬度不小于70m時(shí)，單位寬度煤柱的支承強(qiáng)度便大于平均應(yīng)力，說(shuō)明是合理的[5]。因此通過(guò)理論計(jì)算最終確定同忻煤礦三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱寬度設(shè)計(jì)為80m。

3 保護(hù)煤柱最小寬度數(shù)值模擬分析

為保證結(jié)果準(zhǔn)確性，本項(xiàng)目再利用FLAC3D軟件對(duì)不同煤柱寬度條件下巷道應(yīng)力變化情況進(jìn)行模擬，也可以在大體上展現(xiàn)出總體趨勢(shì)[6]，為工程施工提供技術(shù)參考。

3.1 模型的建立

本次模擬模型的參數(shù)如下：煤層傾角為0°，工作面長(zhǎng)度350m，寬120m，巷道高3.7m，寬5.2m，x軸表示煤層走向，y軸表示煤層傾向，z軸表示煤層埋深（見(jiàn)下圖2所示）。為方便計(jì)算，模型上部采用均勻載荷形式，平均密度ρ=2000kg/m3，部分巖石參數(shù)由試驗(yàn)室測(cè)得，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)下表3所示。

表3 部分巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖2 模擬模型示意圖

3.2 模擬結(jié)果分析

結(jié)合理論計(jì)算和其他煤礦經(jīng)驗(yàn)，本次模擬的煤柱寬度共有三個(gè)方案：60m，70m，80m，巷道為“錨桿+錨網(wǎng)”支護(hù)。

1）保護(hù)煤柱寬度為60m。由圖3可知：當(dāng)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)寬度為60m時(shí)，工作面推進(jìn)至結(jié)束位置，應(yīng)力集中區(qū)為工作面盡頭煤壁、頂板、底板位置，且越靠近煤層其應(yīng)力值越大；而巷道圍巖應(yīng)力也遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力，靠近工作面一側(cè)巷道出現(xiàn)位移；中間煤柱變形嚴(yán)重，超過(guò)10m寬度均為應(yīng)力集中區(qū)，受采動(dòng)影響，煤柱承載應(yīng)力由18.5MPa飆升至31.6MPa，煤柱有被壓垮的危險(xiǎn)。

圖3 保護(hù)煤柱寬度為60m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

2）保護(hù)煤柱寬度為70m。由圖4可知：當(dāng)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)寬度為70m時(shí)，工作面推進(jìn)至結(jié)束位置，應(yīng)力集中區(qū)為工作面盡頭煤壁、頂板、底板位置，且越靠近煤層其應(yīng)力值越大，但相對(duì)于60m煤柱時(shí)應(yīng)力小15%左右；巷道圍巖應(yīng)力主要集中在頂?shù)装澹拷ぷ髅嬉粋?cè)巷道出現(xiàn)少許位移；煤柱應(yīng)力集中區(qū)在煤柱中部位置，但強(qiáng)度比60m煤柱小且分散，約為27.6MPa，在巷道支護(hù)作用下雖然產(chǎn)生部分位移，但煤柱無(wú)壓垮危險(xiǎn)。

圖4 保護(hù)煤柱寬度為70m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

3）保護(hù)煤柱寬度為80m。由圖5可知：當(dāng)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)寬度為80m時(shí)，工作面推進(jìn)至結(jié)束位置，應(yīng)力集中區(qū)為工作面盡頭煤壁、頂板、底板位置，且越靠近煤層其應(yīng)力值越大，但相對(duì)于70m煤柱時(shí)，應(yīng)力降低約25%左右；巷道圍巖應(yīng)力主要集中在頂?shù)装?，但?qiáng)度較小，靠近工作面一側(cè)巷道出現(xiàn)少許位移；煤柱應(yīng)力集中區(qū)在煤柱中部位置，但強(qiáng)度比60m、70m煤柱明顯減小，而且巷道另外一側(cè)煤體也承受了一部分應(yīng)力，平均為21.2MPa，加上巷道支護(hù)作用，巷道變形不明顯，滿足回風(fēng)要求。

圖5 保護(hù)煤柱寬度為80m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

經(jīng)過(guò)模擬分析，當(dāng)三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)為80m時(shí)，巷道所受到的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于煤柱的極限應(yīng)力，完全可以承受采動(dòng)影響，因此該設(shè)計(jì)值是較為合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

巷道是井下煤炭開(kāi)采的重要基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)巷道時(shí)必須要考慮巷道壽命問(wèn)題，若一旦出現(xiàn)損毀，對(duì)煤礦正常生產(chǎn)影響很大，而且需要耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力進(jìn)行維修。本文采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬，均得出了同忻煤礦三盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷80m寬保護(hù)煤柱是合理的，而且通過(guò)試采，也確認(rèn)了巷道沒(méi)有受到采動(dòng)影響而損壞，從而保證了井下開(kāi)采的順利進(jìn)行。