闫晋峰

(1.太原理工大学 矿业工程学院；2.山西潞安集团常村煤业有限公司)

大采高工作面沿空掘巷窄煤柱宽度研究

闫晋峰1，2

(1.太原理工大学 矿业工程学院；2.山西潞安集团常村煤业有限公司)

针对某矿地质条件，运用理论分析、数值模拟和现场实测等方法对厚煤层合理煤柱宽度进行研究，分析了不同宽度煤柱条件下2602工作面主巷的围岩变形规律以及应力分布规律，得出了2602工作面回采巷道的合理布置位置以及沿空掘巷煤柱尺寸的合理宽度为5 m，为类似条件下巷道掘进和布置提供参考。

大采高 沿空掘巷 窄煤柱宽度 数值模拟

沿空掘巷是提高煤炭回收率的有效手段，其实质是在本阶段煤体边缘与上阶段采空区交界处掘进巷道，留设合理煤柱，使巷道位于采空区边缘的应力降低区内，以减轻巷道所受压力，达到容易维护的目的。留设合理煤柱宽度，有助于降低巷道支护、维护成本，提高煤炭资源回采率，对保证巷道稳定性相当重要。合理煤柱宽度大部分依靠经验值判断，缺乏一定的依据，不仅造成煤炭资源的浪费，也造成在生产过程中巷道难以维护、出现冒顶等事故。近年来，国内外科研工作者对留设煤柱宽度进行了大量研究[1-2],但对于大采高工作面留设窄煤柱宽度方面研究比较少。本文根据某矿地质条件，采用理论、数值模拟和现场实测等方法对窄煤柱宽度选取进行研究，以实现2602工作面回采巷道的快速、安全、经济掘进的目标。

1 工作面概况

矿井原设计生产能力为0.3 Mt/a，技改后核定生产能力为0.85 Mt/a，矿体走向长1 650～4 100 m，平均为4 000 m；倾向长1 375～1 650 m，平均为1 600 m；面积为6.4 km2。主采2#煤层为焦煤，煤层厚度大，主要采用轻型综采放顶煤回采工艺。2602工作面位于矿井西翼2600采区南翼中部，其倾斜上方为2601工作面，煤柱宽6 m，2602副巷在实体煤中掘进，作为轨道顺槽，工作面倾斜长120 m，走向长745 m。 工作面位置见图1。

2 煤柱宽度理论计算

根据极限平衡理论[3]，保证窄煤柱稳定的最佳宽度计算公式为

图1 工作面位置示意

(1)

(2)

式中，x1为上区段工作面开采产生在下区段沿空掘巷窄煤柱中的破碎区宽度，m；x2为窄煤柱一帮锚杆的安全长度，锚杆长1.2 m，安全系数为1.15，m；x3为考虑的煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，按x3=(0.3～0.4)(x1+x2)计算；m为煤层采厚，取4.5 m；A为侧压系数；φ0为煤层界面的内摩擦角，取35°；C0为煤层界面的黏聚力，取2.45 MPa；K为应力集中系数，取3;γ为岩层平均容重，取值为25 kN/m3；H为巷道埋深，取600 m；PZ为对煤帮的支护阻力，取0.3 MPa。

根据2602工作面的实际地质条件，计算得出x1=2.38 m，x2=1.38 m，x3=1.12～1.5 m，由此得出B=4.88～5.36 m，考虑减少资源浪费与锚杆支护效果，取窄煤柱宽度理论计算值为5 m，即沿采空区边缘留5 m窄煤柱布置2602巷。

3 数值模拟

3.1 模型建立与参数选取

对该矿厚煤层回采巷道进行模拟，分析2602工作面主巷围岩应力分布特点和围岩变形规律，为巷道支护提供依据。建立如图2所示的数值模拟模型，模型宽60 m，高100 m，两侧施加X方向位移约束，Y方向自由，底部固支边界，上部按600 m埋深施加垂直应力。

图2 数值模拟模型

模拟巷道宽4 m，高3 m，巷道下帮沿煤层顶板掘进，下帮破底。巷道围岩物理力学参数见表1。

表1 巷道围岩物理力学参数

3.2 掘巷期间煤柱与巷道围岩的受力与变形分析

从沿采空区边缘到垂直应力的峰值(煤体内距采空区2 m)范围内设计8种窄煤柱宽度的方案进行比较和分析。煤柱宽度分别为3，4，5，6，7，8，10，15 m。

3.2.1 不同煤柱宽度下煤柱应力分析

2603工作面冒落稳定后，以侧向支承应力分布曲线为依据选择不同煤柱宽度掘进2602工作面主巷。图3为不同窄煤柱宽度下巷道掘进后煤柱垂直应力等值线分布图。

图3 不同煤柱宽度下煤柱垂直应力等值线分布

由图3可知，不同宽度煤柱应力分布有较大差异。煤柱宽3 m时，煤柱上应力峰值基本处于煤柱中心，由于煤柱宽度小，其承载能力低，导致煤柱压垮，呈塑性状态，同时2602工作面主巷靠煤柱侧一帮承载压力大，处于不稳定状态，极易出现大变形。煤柱宽度为4～15 m时，随着煤柱宽度的增加，煤柱上应力峰值向采空区侧偏移，同时煤柱的整体承载能力逐渐提高，2602工作面主巷煤柱侧一帮所受载荷逐渐降低，稳定性逐渐提高。

开挖2602主巷后，不同煤柱宽度下垂直应力、水平应力以及剪应力沿煤柱宽度方向的应力分布见图4。

图4 不同煤柱宽度下沿煤柱宽度方向的应力分布

由图4可知：

(1)不同宽度煤柱上垂直应力状态出现较大差异。煤柱宽3 m时，已经丧失承载能力，其垂直应力峰值均较低。煤柱宽度从4 m逐渐增加到15 m过程中，煤柱应力峰值随煤柱宽度的增加变化不明显，煤柱承载能力逐渐提高，主巷趋于稳定。

(2)煤柱宽度对水平应力分布的影响小于对垂直应力分布的影响。除3 m小煤柱因失去承载力而导致水平应力处于较低状态外，其余不同煤柱宽度下煤柱所受水平应力基本相同。沿煤柱宽度方向水平应力先增大后减小，整体分布近似于马鞍形。水平应力峰值大约为垂直应力峰值的1/4左右。

(3)煤柱宽度对剪应力分布的影响大于对水平应力的影响。不同煤柱宽度下煤柱两侧的剪应力方向相反，大小基本相同。沿煤柱宽度方向剪应力先增大后减小为零，最后剪应力改变方向再增大。剪应力的峰值大约为垂直应力与水平应力之和的0.17倍。

3.2.2 不同煤柱宽度下煤柱位移分析

沿煤柱高度方向取中部层位作为研究窄煤柱内部位移场分布状态的对象，研究掘进期间煤柱水平位移情况。掘巷期间窄煤柱水平位移分布曲线见图5。

图5 掘巷期间窄煤柱位移分布曲线

由图5可知，煤柱宽3 m时，靠近采空区侧的煤体的水平位移值较大，靠近巷道侧水平位移较小，不符合窄煤柱选取原则；随着煤柱宽度的增加，煤柱内位移总体呈现降低趋势，且随着距离煤柱采空侧一帮距离的增大，煤柱内的位移量缓慢降低，并趋于稳定；随着煤柱宽度的增大，主巷煤柱侧一帮的变形量随着煤柱宽度的增大先迅速降低，然后缓慢降低，并趋于一稳定值。

3.2.3 不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩变形分析

掘巷期间窄煤柱内煤柱表面向巷道内的位移与其宽度的关系见图6。

图6 掘进期间煤柱宽度与巷道围岩变形量关系

由图6可知：

(1)巷道顶板下沉量随煤柱宽度的增大而减小。煤柱宽3 m时，顶板下沉量最大；宽度为3～4 m 时，顶板下沉量急剧减小；宽度为4～15 m时，顶板下沉继续减小，但变化不大。

(2)巷道底鼓量随煤柱宽度的增大而减小。煤柱宽3 m时，巷道底鼓量较大；宽度为3～4 m时，底鼓量减小较大；宽度大于4 m后底鼓量趋于稳定。

(3)窄煤柱位移量随煤柱宽度的增大而减小。煤柱宽3 m时，窄煤柱整体向采空区滑动；宽度为4～15 m时，窄煤柱帮向巷道侧移动，且位移量随煤柱宽度的增大而减小。

(4)实煤体帮位移量随煤柱宽度的增大没有明显的变化，比较稳定，只是随着煤柱宽度的增大略微减小，变化量不大。

(5)两帮移近量随煤柱宽度的增大而减小，顶底板移近量随煤柱宽度的增大而减小。

3.3 回采期间沿空掘巷围岩变形分析

2602主巷作为工作面的运输顺槽，在回采期间，主巷受工作面采动侧向支承压力的影响，矿压显现剧烈，巷道维护困难，往往需要加强支护。此时如果留设的区段煤柱宽度不当，就会出现煤柱被压酥、压碎现象，使煤柱丧失承载能力，加重巷道的变形破坏。图7是模拟采动影响下不同煤柱宽度的沿空掘巷受本区段工作面侧向支承压力作用的围岩收敛情况。2602工作面回采期间，沿空巷道围岩变形情况见表2。

由图7可知：

(1)煤柱宽3～5m时，底鼓量最小，且变化不明显；煤柱宽4～5m时，顶板下沉量变化不大；煤柱宽度大于10m时，顶板下沉量变化明显，但小于煤柱宽4～6m时的顶板下沉量。

表2 不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩变形情况

(2)煤柱宽8 m时，窄煤柱变形量最大，宽度大于10 m 后变形量趋于稳定；煤柱宽4～5 m时，窄煤柱变形量变化不大，且小于煤柱大于10 m时的变形量。

4 结 论

通过数值模拟，分析了沿空掘巷留小煤柱条件下应力分布特征以及煤柱宽度对巷道变形影响。在2602工作面回采期间，煤柱宽3～5 m时巷道变形量较小，且变化不明显。经综合分析，留4～5 m窄煤柱沿空掘巷在主巷掘进期间和工作面回采期间变形较小。结合该矿实际情况，为避免窄煤柱两侧锚杆相互碰撞，最终确定沿空掘巷窄煤柱的合理宽度为5 m。

[1] 何满潮.软岩工程地质力学研究进展[J].工程地质学报,2000(1):46-62.

[2] 吴 杨,马凤森,侯圣权.松软煤层沿空掘巷围岩变形破坏规律研究[J].煤炭开采,2012,17(3):39-41,57.

[3] 康红普,王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M]．北京:煤炭工业出版社，2007．

2015-03-09)

闫晋峰(1983—)，男，工程师，030024 山西省太原市。