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 米文寶1  魏  輝2

（1．河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局，河北省唐山市，063000;2．山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266000）

 摘  要  針對(duì)唐山煤礦Y485里工作面沿空掘巷留設(shè)煤柱尺寸問題，分析了采空區(qū)側(cè)的支承壓力分布規(guī)律，初步探究了沿空側(cè)最優(yōu)掘巷位置。通過FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算，得出了應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～8 m，并分別模擬了不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力的分布規(guī)律，綜合考慮確定工作面沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸為5m，不僅可以保持巷道的穩(wěn)定性，還可以最大限度的減少煤炭資源的損失。

關(guān)鍵詞  深部開采厚煤層  沿空掘巷煤柱尺寸數(shù)值模擬 中圖分類號(hào)  TD353 

 在深部開采過程中，受到高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯等影響，開采難度逐漸增加。因此，為了最大限度地開采深部煤炭資源，必須進(jìn)行合理的開采設(shè)計(jì)，將遺留的煤炭量減小到最低程度。在深部工作面開采期間，相鄰工作面之間的煤柱留設(shè)問題在開采設(shè)計(jì)中尤為重要，煤柱寬度留設(shè)不合理將會(huì)影響工作面采掘期間巷道的穩(wěn)定性。煤柱寬度較小時(shí)，巷道對(duì)支護(hù)的要求就會(huì)提高；煤柱寬度較大時(shí)，不僅增加煤柱的承受載荷，而且浪費(fèi)寶貴的煤炭資源。尤其是在深部厚煤層礦井中，煤柱留設(shè)不合理會(huì)導(dǎo)致巷道變形加劇、支護(hù)困難、沖擊地壓頻發(fā)等問題，嚴(yán)重影響工作面的安全開采。

 目前，已有許多專家對(duì)煤柱的留設(shè)寬度進(jìn)行了研究，但大都是常規(guī)情況下的煤柱留設(shè)寬度，對(duì)深部厚煤層條件下的煤柱留設(shè)寬度研究較少，而具有深部和厚煤層雙重復(fù)雜條件下的工作面煤柱留設(shè)將會(huì)更加困難，不僅要考慮最優(yōu)留設(shè)寬度，還要防止深部高地應(yīng)力導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。本文以唐山礦Y485里工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面之間的煤柱最優(yōu)留設(shè)寬度進(jìn)行研究，在保證巷道穩(wěn)定的前提下，設(shè)計(jì)最優(yōu)的煤柱尺寸，確保工作面的安全開采，并節(jié)省大量煤炭資源。

1  工作面概況

 唐山礦Y485里工作面開采深度平均850 m，開采煤層為8#、9#合采煤層。工作面走向長度762.5 m，傾向長度130 m。煤層厚度平均7m，煤層平均傾角240，普氏硬度系數(shù)1. 97。煤塊呈條帶狀，破碎后呈不規(guī)則狀斷口，煤層中含有夾矸，局部受斷層及沉積影響夾石厚度可達(dá)到3.5 m以上，煤體含水率較低，吸水性極差。Y485里工作面相鄰為Y486里工作面采空區(qū)，具體工作面布置如圖1所示。

 煤層直接頂為4.9 m的深灰色粉砂巖，脆性較大，上部含植物化石；基本頂為4.7 m的深灰色細(xì)砂巖，成份以石英為主，局部含鈣質(zhì)，較堅(jiān)硬；煤層直接底為1.4 m的碳質(zhì)泥巖；基本底為平均7.5 m的粉砂巖。

2  采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布規(guī)律研究

 工作面回采完畢后，在工作面采空區(qū)附近會(huì)出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因上覆巖層的自重作用和采動(dòng)影響，工作面頂板較堅(jiān)硬的巖層會(huì)出現(xiàn)不同程度的斷裂，這種斷裂過程直接影響著采空區(qū)周圍巷道的穩(wěn)定性。若在采空區(qū)側(cè)布置下一個(gè)工作面的服務(wù)巷道，巷道受到頂板自重和開采擾動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)更加復(fù)雜的應(yīng)力疊加現(xiàn)象。此時(shí)，下個(gè)工作面巷道的開挖位置就顯得尤為重要，采空區(qū)和巷道之間的小煤柱則是整個(gè)開挖的關(guān)鍵，不僅要維持巷道的穩(wěn)定性，還要使巷道承受較小的集中應(yīng)力，防止開采過程中發(fā)生沖擊地壓事故。

 根據(jù)采空區(qū)側(cè)煤體的受力大小，從采空區(qū)側(cè)依次分為應(yīng)力降低區(qū)(A)、應(yīng)力急增區(qū)(B)、應(yīng)力緩降區(qū)(C)和應(yīng)力原始區(qū)(D)，如圖2所示。

 從圖2中可以看出，在采空區(qū)頂板側(cè)向壓力影響下，靠近采空區(qū)邊緣的A區(qū)域煤體處于破碎狀態(tài)，煤體承受的應(yīng)力不大；隨著煤體的破碎程度逐漸減小，煤體所承受的應(yīng)力急速增加，B區(qū)域的應(yīng)力能夠達(dá)到2～3倍的原巖應(yīng)力；C區(qū)域因遠(yuǎn)離采空區(qū)，煤體大部分保持彈性變形狀態(tài)，在側(cè)向支承應(yīng)力達(dá)到峰值后隨距離增加開始緩慢下降，逐漸降低至原始應(yīng)力區(qū)D并保持穩(wěn)定。

 若要在采空區(qū)側(cè)進(jìn)行下個(gè)區(qū)段的巷道掘進(jìn)工作，首先要保證巷道的穩(wěn)定性，最好將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)。若在A區(qū)域的I位置開挖巷道，巷道位于側(cè)向應(yīng)力的內(nèi)應(yīng)力區(qū)，屬于應(yīng)力降低區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)布置巷道對(duì)煤體支承壓力的影響較小，引起的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)和支承壓力變化不大，不會(huì)引起沖擊地壓事故。若在應(yīng)力增高區(qū)B內(nèi)Ⅱ位置布置巷道，巷道周圍的集中應(yīng)力與采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力相互疊加后，形成更高的支承壓力，巷道在高應(yīng)力和煤柱應(yīng)力的雙重作用下，就容易發(fā)生煤柱失穩(wěn)，造成巷道的沖擊破壞。

 因此，為保證巷道位置的合理選取，就要研究采空區(qū)與巷道之間煤柱的留設(shè)寬度，將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，不僅能夠保持巷道的穩(wěn)定性，還可以減輕巷道的維護(hù)工作。

3  沿空掘巷煤柱寬度模擬分析

3.1  模型的建立

 利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬采空區(qū)側(cè)沿空掘巷留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)，巷道的變形情況及穩(wěn)定性。根據(jù)Y485里工作面的實(shí)際地質(zhì)情況，建立模型尺寸為200 mX50 m X 50 m（長×寬×高），共劃分為500000個(gè)網(wǎng)格單元。巷道埋深按850 m計(jì)算，在模型頂板施加上覆巖層自重應(yīng)力21. 25 M Pa，模型四周邊界為單約束邊界，下部邊界為全約束邊界，即水平和垂直方向均固定，上部邊界為自由邊界。采用摩爾一庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，具體巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力分析

 Y486工作面回采結(jié)束后，根據(jù)模型計(jì)算得出工作面采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力的分布規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出，在采空區(qū)邊緣處煤體的垂直應(yīng)力最小，隨著距采空區(qū)邊緣距離的增大，應(yīng)力逐漸增加，在距采空區(qū)邊緣約8～9 m處垂直應(yīng)力有小幅度下降，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)；在距采空區(qū)約16 m的位置達(dá)到應(yīng)力最大值為45.3 M Pa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2. 38。垂直應(yīng)力在距采空區(qū)40 m左右時(shí)達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果初步判斷，巷道應(yīng)布置在采空區(qū)側(cè)應(yīng)力的內(nèi)應(yīng)力場中，在考慮巷道寬度的基礎(chǔ)上，煤柱的寬度應(yīng)小于7～8 m，使得巷道位于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

3.3煤柱留設(shè)寬度分析

 根據(jù)沿空側(cè)巷道支護(hù)原則，為使錨桿等起到支護(hù)作用，煤柱不應(yīng)小于3m。故模擬煤柱寬度分別為3m，4m，5m，6m和7m情況下煤柱的垂直應(yīng)力分布，確定最優(yōu)的煤柱尺寸。在煤柱內(nèi)布置測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，得出如圖4所示的不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布曲線。

 由圖4可知，煤柱寬度3m時(shí)，因靠近采空區(qū)，煤柱破碎程度較大，所承受的垂直應(yīng)力為14.2 M Pa;煤柱寬度4m時(shí)，煤柱上方垂直應(yīng)力稍微增加，大約為17 M Pa；煤柱寬度5m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到18.5 M Pa，接近原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度為6～7 m時(shí)，因距采空區(qū)較遠(yuǎn)，煤柱所承受的載荷逐漸增大，最大值分別為21.6 M Pa和23.7 M Pa，均超過原巖應(yīng)力，若支護(hù)不合理或受采動(dòng)影響，可能會(huì)發(fā)生沖擊地壓。綜合以上分析，考慮錨桿支護(hù)的極限長度和資源的合理利用，選擇寬度為5m的煤柱，不僅能夠最大程度維持巷道的穩(wěn)定性，消除巷道沖擊危險(xiǎn)，而且可以節(jié)省較多的煤炭資源。

4  工程驗(yàn)證

 為驗(yàn)證煤柱留設(shè)寬度的合理性，在Y485里工作面運(yùn)輸巷采用十字布樁法進(jìn)行了圍巖變形觀測，對(duì)頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟窟M(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，在約30 d時(shí)巷道頂板下沉量為150 mm，兩幫移近量為230 mm，圍巖變形量基本保持穩(wěn)定，能夠滿足礦井正常生產(chǎn)要求。

5  結(jié)論

 (1)根據(jù)采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力的理論分析，在靠近采空區(qū)一定范圍內(nèi)因煤體破碎程度較大，存在應(yīng)力降低區(qū)，考慮煤柱受力原則和巷道便于維護(hù)，應(yīng)將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，而避免將巷道布置在應(yīng)力增高區(qū)，加大巷道的受壓載荷，增加支護(hù)難度。

 (2)利用數(shù)值模擬分析了采空區(qū)垂直應(yīng)力分布曲線，得出應(yīng)力降低區(qū)范圍在0～8 m范圍內(nèi)，并分別研究了煤柱寬度為3m、4m、5m、6m和7m條件下煤柱的垂直應(yīng)力變化情況，在巷道支護(hù)要求和資源合理利用的前提下，確定沿空巷道留設(shè)煤柱的最優(yōu)尺寸為5m，能夠最大程度的保持巷道穩(wěn)定，減小了煤炭資源的損失，保證了巷道的安全使用。