深部礦井沿空掘巷煤柱留設寬度確定

摘 要：煤柱合理寬度的確定是影響綜放沿空掘巷圍巖穩定性的重要因素。文章通過理論分析和數值模擬相結合的方法，確定了深部礦井沿空掘巷的煤柱合理寬度為6m，現場試驗表明，留設6m煤柱時沿空幫移近量最大為184mm，實體幫移近量最大為95mm，頂板下沉量最大為78mm，底臌量最大為134mm。巷道圍巖整體變形量不大，表明煤柱寬度留設6m是合理的。

關鍵詞：深部；沿空掘巷；煤柱寬度；數值模擬

引言

保留煤柱寬度與回采巷道支護、維護成本、安全生產以及煤炭資源回采率密切相關，煤柱寬度選擇的正確與否，對保證巷道穩定至關重要[1]。我國目前部分煤礦仍存在依靠經驗來確定煤柱寬度，缺乏科學性和針對性，往往不是造成煤炭資源的浪費，就是巷道在掘進和回采過程難以維護，甚至出現冒頂等事故，如何兼顧資源回收率和巷道穩定，合理確定煤柱寬度，一直是眾多學者關注的焦點[2]。

目前，確定綜放沿空掘巷小煤柱尺寸采用的經驗類比法，存在很大的盲目性和局限性。因此，如何合理、科學地確定綜放沿空巷道小煤柱的尺寸，對于綜放開采安全生產具有重大意義[3]。文章以巨野礦區某深部礦井沿空掘巷為工程背景，采用理論分析、現場實測的研究手段，確定深井綜放沿空掘巷合理煤柱留設寬度，期望對工程實踐有一定的指導意義。

1 礦井概況

礦井平均開采深度1000m，回采煤層厚8.50～10m，平均9m，普氏系數f=1.59，密度1.36g/cm3，傾角2°～13°，平均傾角5°，具有弱沖擊傾向性。煤層賦存穩定，結構復雜，中間夾0.10～0.35m厚的泥巖或炭質泥巖。煤層直接頂為粉砂巖，厚19.87m，裂隙發育，具水平層理；基本頂為細砂巖，厚4.2～4.5m，整體性強；偽底為泥巖，厚1.45m；直接底為粉砂巖，裂隙發育；基本底為細砂巖，厚3.35m，主要成分為石英長石及暗色礦物，硅質膠結；覆巖的最上層為數百米的表土層。

2 沿空掘巷煤柱留設原則

小煤柱是綜放沿空掘巷圍巖結構的一個重要組成部分，其穩定性決定綜放沿空掘巷的穩定性，采用錨桿支護時小煤柱寬度應滿足以下幾個原則。

巷道處于應力降低區。當巷道位于應力降低區時，小煤柱及巷道的穩定性均較好，所以應將巷道布置在應力降低區。

小煤柱內部有穩定的區域。上區段工作面開采和巷道掘進，使小煤柱兩側出現破碎區，錨桿錨固在破碎煤體中的錨固力小，錨桿支護作用降低，巷道維護困難，因此，應保證煤柱寬度能夠將錨桿錨固在穩定煤體中。

有利于巷道圍巖穩定。煤柱過窄，不但煤柱破碎、頂煤及實體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差、承載能力小。因此，并不是小煤柱越小圍巖越穩定，小煤柱寬度有一個合理的值。

采出率高。煤柱越小，采出率越大，在滿足巷道圍巖穩定的前提下，盡可能減小小煤柱寬度。

3 煤柱寬度確定

3.1 煤柱寬度理論分析

要保持綜放沿空掘巷的穩定性，煤柱的穩定與否是關鍵。

根據極限平衡理論，合理的最小煤柱寬度：

B=1.15（x1+x2） （1）

其中，B為煤柱寬度，m；

x1為錨桿有效長度，m；

x2為上區段工作面開采在煤柱中產生的塑性破壞區寬度。

（2）

其中，M為上區段平巷高度，m；A為側壓系數；C0和？漬0為煤層內聚力和內摩擦角；k為應力集中系數；H為巷道埋深，m；？酌為巖層平均容重，MN/m3；P0為巷道的支護強度，MPa。

由現場地質條件及實測數據可知，錨桿有效支護長度x1=2m，上區段平巷高度M=3.2m，側壓系數A=0.4，煤體的內聚力C0和？漬0內摩擦角分別為2MPa和30°，應力集中系數k=2.0，巷道埋深H=800m，巖層容重？酌=0.025MN/m3，巷道的支護強度P0=0.25MPa。

將上述參數代入式（1）和（2）可以求得：深井綜放開采過程中，上區段開采在煤柱中產生的塑性區破壞區寬度為3.08m，合理的最小煤柱寬度B為5.8m。

3.2 煤柱寬度數值模擬

利用FLAC3D數值軟件，根據工作面工程概況，取典型地質斷面和實際地應力進行建模計算，分析上工作面回采后，煤體內側向支承壓力分布規律。

整個模型尺寸寬×高×厚為200m×120m×8m，模型上部邊界施加的載荷按采深800m計算，底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，地應力根據實測地應力進行施加，豎向地應力為23.4MPa，X向水平地應力為20.6MPa，Y向水平地應力為35.8MPa，模型上部施加經應力補償得到的豎向均布面荷載，補償值為23.2MPa。

采用摩爾庫倫本構模型進行計算，各地層巖性材料參數如表1所示。

表1 各地層的材料參數

數值模型在初始地應力平衡之后，進行工作面的回采，工作面開采尺寸為寬×高為96m×8m，回采過程一次完成。

從表中可以看出，側向支承壓力分布可以分為應力降低區（0～10m），應力升高區（10～56m）和原巖應力區（56m以外）。由數值模擬分析可得，沿空掘巷應布置在應力降低區（10m以內），結合沿空掘進巷道斷面尺寸，建議煤柱留設寬度在6m內。

根據理論分析和數值模擬結果，確定沿空掘巷煤柱留設寬度為6m。

4 現場試驗

根據前文的研究成果，留設6m煤柱寬度進行沿空掘巷，采用高強高預應力錨桿支護系統對順槽進行支護。每隔100m設置一個監測斷面，監測巷道掘進期間巷道圍巖變形量。巷道掘進過程中，監測斷面距迎頭30m范圍內，巷道表面位移變形速率較大，幫部的圍巖變形速率達到50mm/d；之后圍巖變形緩慢增加，監測斷面距迎頭120m后圍巖變形逐漸趨于平緩，巷道幫部的變形速率僅為5mm/d。至掘巷完成時，沿空幫移近量最大為184mm，實體幫移近量最大為95mm，頂板下沉量最大為78mm，底臌量最大為134mm，。巷道圍巖整體變形量不大，表明煤柱寬度留設6m是合理的。

5 結束語

根據理論分析和數值模擬結果，最終確定小煤柱的合理留設寬度為6m。現場試驗結果表明，留設6m煤柱寬度時，沿空幫移近量最大為184mm，實體幫移近量最大為95mm，頂板下沉量最大為78mm，底臌量最大為134mm，。巷道圍巖整體變形量不大，表明煤柱寬度留設6m是合理的。

參考文獻

[1]常聚才，謝廣祥，楊科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定[J].西安科技大學學報，2006，28（2）：226-230.

[2]奚家米，毛久海，楊更社，等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應用[J].采礦與安全工程學報，2008，25（4）：400-403.

[3]聶建偉，王慶牛，徐俊峰.深井孤島工作面沿空掘巷煤柱寬度的確定[J].煤炭工程，2012（6）11-13.

作者簡介：劉敬斌（1984，12-），男，助理工程師，大學，研究方向：采礦工程。