相林昊

（霍州煤電集團(tuán)，山西 霍州 031400）

1 工程概況

辛置煤礦位于山西省霍州市辛置鎮(zhèn)，東依霍山，西臨汾水，108國道、霍侯一級公路、南同蒲鐵路從礦區(qū)西部通過，東距大運高速公路約5 km，交通十分便利。目前主采的2#煤層，煤層厚度為3.8～4.3 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角2°～6°，平均傾角4°。2#煤層直接頂為均厚3.0 m的泥巖、砂泥巖互層，老頂為均厚7.2 m的K8中細(xì)砂巖，直接底為均厚4.5 m的泥巖，老底為均厚6.5 m的中砂巖，煤層穩(wěn)定可采，頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層情況

名稱 巖石名稱 厚度/m 巖性特征直接頂 泥巖、砂泥巖 0～7.5 3.0灰黑色，薄層狀，層面含豐富植物化石，半堅硬，下部為泥巖，局部相變?yōu)樯皫r。直接底 泥巖 4.0～6.54.5灰黑色，厚層狀，水平層理，半堅硬，中上部含有菱鐵礦結(jié)核。老 底 中砂巖 4.0～7.8 6.5灰白色，中厚層狀，分選中等，堅硬。

2 小煤柱合理寬度設(shè)計

2.1 小煤柱合理寬度計算

工作面間留設(shè)保護(hù)煤柱的合理寬度應(yīng)在保證煤柱兩側(cè)穩(wěn)定的前提下，盡可能減小煤柱尺寸，減少煤炭資源的浪費[1-5]，煤柱尺寸計算模型如圖1所示。

圖1 煤柱合理寬度

煤柱寬度可由下式計算：

B=X1+X2+X3

式中：B為煤柱寬度，m；X1為上一工作面回采后產(chǎn)生塑性區(qū)范圍，按照極限平衡理論，取2.4 m；X2為巷幫支護(hù)錨索的有效長度，取4.2 m；X3為煤柱預(yù)留的富余量，一般取0.15～0.35（X1+X2），即0.99～2.31 m。

代入上述辛置煤礦實際參數(shù)計算可得2#煤層合理煤柱寬度為7.59～8.91 m。

2.2 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步驗算2#煤層小煤柱合理尺寸，分別模擬煤柱寬度為6 m、8 m、10 m時，煤柱塑性區(qū)范圍、應(yīng)力分布及圍巖變形情況，模擬結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 煤柱塑性區(qū)范圍

圖3 煤柱垂直應(yīng)力分布

圖4 巷道圍巖垂直位移

（1）塑性區(qū)范圍

如圖2所示，當(dāng)煤柱寬度為6 m時，煤柱塑性區(qū)范圍很廣，只有小部分區(qū)域為彈性區(qū)域，表明6 m寬的煤柱支撐力較小，具有很大的安全隱患；當(dāng)煤柱寬度為8 m時，塑性區(qū)范圍約占煤柱整體的38.5%，而且塑性區(qū)域均分布在煤柱兩側(cè)，煤柱中間部分全部為彈性區(qū)，表明此時煤柱支撐力較大，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求；當(dāng)煤柱寬度為10 m時，煤柱塑性區(qū)域進(jìn)一步減少，僅占煤柱整體的30.3%，煤柱支撐能力進(jìn)一步增大，但是由于煤柱寬度的增大，勢必會增加煤炭資源的浪費。

（2）垂直應(yīng)力分布

如圖3所示，煤柱寬度為6 m時，應(yīng)力峰值為9.61 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.91；煤柱寬度為8 m時，應(yīng)力峰值為12.23 MPa，與6 m煤柱相比，增大約27.3%，應(yīng)力集中系數(shù)為3.72，與6 m煤柱相比，增大約27.8%；煤柱寬度為10 m時，應(yīng)力峰值為13.11 MPa，與6 m煤柱相比，增大約36.4%，與8 m煤柱相比，增大約7.2%；應(yīng)力集中系數(shù)為3.98，與6 m煤柱相比，增大約36.8%，與8 m煤柱相比，增大約7.0%。模擬結(jié)果表明，煤柱寬度由6 m增大到8 m時，煤柱所受應(yīng)力值增大幅度明顯，而煤柱寬度由8 m增大到10 m時，所受應(yīng)力值增幅并不大。

（3）巷道圍巖變形

由圖4、圖5可知，當(dāng)煤柱寬度為6 m時，巷道頂板下沉量為181.5 mm，煤柱側(cè)位移量為224.8 mm；當(dāng)煤柱寬度為8 m時，巷道頂板下沉量為156.1 mm，與6 m煤柱相比，降低約14.0%，煤柱側(cè)位移量為186.8 mm，與6 m煤柱相比，降低約16.9%；當(dāng)煤柱寬度為10 m時，巷道頂板下沉量為147.2 mm，與8 m煤柱相比，降低約5.7%，煤柱側(cè)位移量為172.3 mm，與8 m煤柱相比，降低約7.8%。模擬結(jié)果表明，煤柱寬度由6 m增大到8 m時，頂板下沉量及煤柱側(cè)變形量均有所減小，且降低幅度較大，而煤柱寬度由8 m增大到10 m時，頂板下沉量及煤柱側(cè)變形量也有所減小，但是減少幅度較小。

圖5 巷道圍巖水平位移

綜上所述，在盡可能減少煤柱煤炭損失量的前提下，綜合考慮巷道圍巖塑性區(qū)范圍、應(yīng)力分布特征及巷道圍巖變形量，確定辛置煤礦2#煤留設(shè)區(qū)段保護(hù)煤柱合理寬度為8 m。

3 工業(yè)性試驗

以辛置煤礦2-216運輸巷為工程背景進(jìn)行工業(yè)性試驗，2-216運輸巷與上一工作面2-212回風(fēng)巷間留設(shè)寬度為8 m的煤柱。巷道斷面尺寸為寬×高=5.0 m×3.9 m，頂錨桿為φ20 mm×3 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每排布置6根錨桿，巷道肩角位置錨桿與豎直方向夾角為15°，其余錨桿垂直于頂板布置。錨索選用φ17.8 mm×8 300 mm的鋼絞線，間排距為800 mm×1 600 mm，每排在巷道頂板中部位置布置兩根錨索。兩幫選用φ18 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×800 mm，每幫布置4根錨桿。

為確定留設(shè)8 m煤柱是否合理，在相鄰工作面2-212工作面回采過程中，在2-216運輸巷每隔100 m布置一個礦壓監(jiān)測點，對2-216運輸巷的應(yīng)力分布及圍巖變形情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖6（a）和6（b）所示，相鄰工作面2-212工作面回采過程中，2-216運輸巷頂?shù)装逡平考皟蓭妥冃瘟孔畲笾捣謩e為74 mm和82 mm，三個監(jiān)測點巷道頂?shù)装逡平考皟蓭妥冃瘟科骄祪H為65 mm和58 mm，表明當(dāng)區(qū)段煤柱為8 m時，巷道圍巖變形量并不大?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在2-212工作面前方50 m和后方120 m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形較為明顯，為采動影響區(qū)，在滯后工作面120 m后，巷道圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，為穩(wěn)定區(qū)。

如圖6（c）所示，在2-212工作面回采期間，2-216運輸巷錨桿受力呈現(xiàn)頂板位置＞煤柱幫側(cè)＞實體煤幫側(cè)的受力特點，錨桿受力穩(wěn)定后，頂板位置、煤柱幫側(cè)及實體煤幫側(cè)錨桿受力值分別為9.8 MPa、9.36 MPa和8.58 MPa。錨桿支護(hù)效果良好。

4 結(jié)語

以辛置煤礦為工程背景，通過理論分析、工程類比及數(shù)值模擬的方法，分析得出辛置煤礦2#煤層回采工作面間，在既保證盡可能多的回收煤炭資源，又保證現(xiàn)場安全生產(chǎn)的前提條件下，合理的區(qū)段煤柱寬度為8 m。并在辛置煤礦進(jìn)行現(xiàn)場試驗，在2-216運輸巷與2-212工作面間留設(shè)寬度為8 m的保護(hù)煤柱，在2-216運輸巷每隔100 m布置一個監(jiān)測點，用于監(jiān)測巷道圍巖變形量及錨桿受力。監(jiān)測結(jié)果顯示，在2-212工作面回采過程中，2-216運輸巷頂?shù)装遄冃瘟孔畲笾禐?4 mm，平均變形量僅為65 mm；兩幫移近量最大值為82 mm，平均變形量僅為58 mm；頂錨桿受力最大，穩(wěn)定后受力值為9.8 MPa，實體煤側(cè)幫錨桿受力最小，穩(wěn)定后受力值為8.58 MPa，煤柱側(cè)幫錨桿受力居中，穩(wěn)定后受力值為9.36 MPa。整體來看，2#煤層回采工作面間留設(shè)8 m小煤柱，巷道錨桿受力穩(wěn)定，支護(hù)效果良好，巷道圍巖變形量較小，可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。