沿空掘巷煤柱合理寬度研究

南 華，李 明

（1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454000；2.哈密職業技術學校，新疆哈密839000）

沿空掘巷煤柱合理寬度研究

南 華*1,2，李 明1

（1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454000；2.哈密職業技術學校，新疆哈密839000）

沿空留巷是目前中國長臂工作面巷道布置的一種重要形式，而留巷煤柱的合理寬度寬度是該種布置形式成敗的關鍵。以豫西某礦14191工作面為實例，采用理論計算及FLAC3D數值模擬方法，對2、3、5、7m四種不同煤柱寬度條件下應力分布及巷道變形量等因素進行分析，確定合理煤柱寬度，并通過現場數據觀測對分析結果進行驗證。結果表明：通過理論分析及數值模擬得到煤柱留設最優寬度為3m;根據現場數據觀測及分析得到沿空掘巷留設3m寬煤柱，在采用錨桿錨索支護的情況下，掘進期巷道穩定時間平均20d左右，兩幫最大移近量為344.7mm，頂底板最大移近量為276.67mm；回采期巷道兩幫最大累計移近量為827mm，頂底板最大累計移近量為657.34mm；采用3m寬煤柱的方案是合理可行的，能夠使巷道位于應力較低區域、巷道變形量可控，可以滿足正常生產需求。研究結果可為類似條件礦井提供借鑒。

沿空掘巷；煤柱寬度；FLAC3D

從20世紀50年代起，國內外開展了大量無煤柱護巷研究，主要分為沿空掘巷和沿空留巷2種方法[1-3]。通過對沿空掘巷和沿空留巷礦壓顯現規律及巷道圍巖控制的研究，在無煤柱護巷方面取得了豐碩的成果，這些成果推動了沿空掘巷和沿空留巷技術的發展[4-7]。由于沿空掘巷與沿空留巷的應力環境以及受采動影響不同，兩種巷道的礦壓顯現規律和巷道圍巖控制方法差異較大。沿空留巷在上區段工作面回采時同時構筑，巷道受到采空區巖層活動的影響，同時在本區段工作面回采期間受到本區段工作面超前支承壓力的作用，巷道經歷了2次采動影響，無論是巷道頂板還是巷道兩幫都會發生強烈變形，并且底鼓嚴重，巷道維護比較困難。而沿空掘巷是在上區段工作面回采后，采空區上覆巖層活動基本停止、產生穩定的采空區側向支承壓力后，將巷道布置在采空區邊緣應力降低區，巷道相對易于掘進和維護[8]。

沿空掘巷煤柱尺寸雖然可提高煤柱的承載能力，但煤柱留寬過大，不僅要損失較多煤炭資源，而且也難以保證煤柱處在支承壓力帶影響范圍外;煤柱尺寸偏小，煤柱的穩定性差、承載能力低，且巷道也難以維護。沿空掘巷巷道圍巖的穩定性，除了與煤層及巷道圍巖條件有關，其關鍵還與煤柱尺寸的大小能否使支護結構體與巷道圍巖形成具有一定承載能力的支護整體[9]。因此，合理煤柱寬度的選取既要使巷道在礦壓影響下能夠保證巷道圍巖的基本穩定，又要盡可能地防止資源浪費，提高資源回收率。在工程實踐中，煤柱的穩定性不僅關系到巷道是否能夠成功掘進，而且對巷道維護也起著至關重要的作用。

本文結合具有代表性的豫西某礦地質條件，從理論計算上分析采空區側向支承壓力的峰值位置和較為理想的煤柱寬度，利用FLAC3D數值模擬軟件對采空區側向支承壓力的分布情況做具體研究，通過對比分析無支護下不同煤柱寬度巷道在掘進及回采期間的巷道圍巖穩定性，得到數值模擬下比較理想的煤柱寬度，結合理論分析結果，根據沿空巷道的煤柱留設原則，最終確定沿空掘巷的煤柱寬度。并把分析得到的煤柱寬度應用于工程實踐，通過監測巷道在掘進及回采期間圍巖的位移量，判斷巷道是否符合生產需要，進而判斷沿空掘巷的煤柱寬度是否合理。

1 礦井及工作面概況

豫西某礦位于河南西部，開采的煤層為二疊系山西組二1煤，采用斜井上下山開拓，井口標高+305m，一水平標高為+150～-50m，二水平標高為-50～-200m。目前正在開采一水平，該水平分為東西兩翼進行開采，西翼有12、14采區，東翼有11、13、15采區。煤層的平均厚度4.8m。井田東部以F2及F29斷層為界，西部以第三勘探線為界，深部以二1煤層底板-200m等高線為界，淺部以二1煤層底板+150m等高線為界。二1煤層走向長度為15.5km，傾向寬度為3.5km，煤層面積為53.59km2。

此次研究的沿空掘巷為14191工作面上巷。14采區位于該礦井的一水平西翼，西為16采區，東鄰12采區。采區內設置有3條下山，分別為專用回風下山、皮帶下山和軌道下山。其中14191工作面位于14采區下山東翼，上部與14171工作面階段煤柱相鄰，下部與14211工作面相鄰；東部與14與12采區的采區保護煤柱相鄰；西部與14采區下山的保護煤柱相鄰。工作面地表沒有水體、村莊。地面平均標高為+550m，工作面平均標高為-17m，平均埋深為568m，可以開采的采面積為87250m2。工作面煤層厚度為0～8.5m，煤層厚度變化較大，煤層平均厚度為4.8m，煤層的結構簡單，煤質較軟，煤層傾角為3°～10°，煤層平均傾角為4°。

14191工作面開采煤層頂板依次為泥巖、中砂巖、粉砂巖等；煤層底板依次為砂質泥巖、粉砂巖、中砂巖、硅質泥巖等。煤層頂底板巖性如圖1所示。

圖1 新安煤礦14191工作面圍巖柱狀圖

2 煤柱合理寬度計算

目前對于沿空掘巷煤柱寬度的確定方法主要有3種，即理論分析法、數值模擬法以及工程類比法[10-12]。沿空掘巷的理論分析，主要是根據巖體的極限平衡理論推導出采空區側向支承壓力的分布情況，同時推導出使巷道圍巖穩定程度較好時的煤柱寬度；數值模擬法是利用巖土工程模擬軟件，模擬巷道在不同煤柱寬度下巷道圍巖的變形情況，通過對比分析巷道在不同煤柱寬度下的穩定性、巷道圍巖在多大寬度煤柱下的穩定性較好，從而確定煤柱寬度的方法；工程類比法是在巷道圍巖中安置測試儀器，通過對巷道圍巖位移及應力的數據反饋，來判斷巷道圍巖穩定性，并最終確定煤柱寬度的方法。采用理論分析來計算并確定煤柱寬度時，由于研究對象比較復雜，建立的力學模型通常會忽略一些影響因素，因此沒有辦法保證計算結果的可靠性；數值模擬具有較強的計算能力，可以模擬不同的地質條件，可以很直觀的考察巷道在不同煤柱寬度下或是在不同支護方式下的巷道圍巖變形情況和應力分布特征，雖然數值模擬計算能力較強，也很直觀，但數值模擬也存在忽略一些影響因素、無法保證計算結果可靠性的問題；工程類比法是通過現場實測的方法掌握煤巖應力分布特點，從而為沿空掘巷提供實測數據方面的依據，同時通過對巷道圍巖位移及應力分布的實測，對巷道圍巖穩定性做出判斷，但由于現場實際條件的限制，難以對不同煤柱寬度下煤柱巷道圍巖的變形情況及應力分布特點進行考察，因此實施起來比較困難。本研究主要采用理論分析計算和數值模擬。

2.1 理論分析計算

在考慮錨桿支護時，沿空掘巷煤柱寬度的計算可由式（1）[13-14]得出：

其中X1為上區段工作面回采后在采空區側煤體中的破碎區寬度，X1可以由式（2）計算得到：

式中：M——煤層厚度，m；

φ0——煤層界面的內摩擦角，（°）；

μ——泊松比；

k——應力集中系數；

c0——煤層界面的粘結力，MPa；

Px——支架對煤幫的支護阻力，支護阻力在采空區側取值為0；

X2——沿空掘道煤柱一幫錨桿有效長度，m；

γ——上覆巖層的平均容重，kN/m3；

H——巷道埋深，m；

X3——考慮煤柱穩定性而增加的煤柱寬度的富裕量，一般按(X1+X2)值的10%～30%計算。考慮到盡量減小煤柱寬度提高煤炭回收率，同時考慮到保證煤柱穩定性的要求，該處X3取(X1+X2)的15%進行計算。

該公式考慮了煤層采高、側壓系數、煤層界面的內摩擦角、煤層界面的粘結力、應力集中系數等因素的影響，適用于采用錨桿支護的沿空巷道。將相關參數帶入上述公式，就能夠得到沿空掘巷煤柱寬度的理論計算值。根據新安煤礦14191工作面具體情況，取M= 4.8m，β=0.49，μ=0.33，φ0=20°，c0=2.6MPa，k= 1.1，γ=25kN/m3，H=560m，Px=0，X2=2m。將數據代入式（2）可得X1=1.1m，取錨桿有效長度X2為2m，X3則為0.15（X1+X2），煤柱寬度為1.15（1.1+2）=3.57m。

2.2 數值模擬分析

本研究采用美國ITASCA公司推出的FLAC3D巖土工程分析軟件。由于煤層傾角較小，屬近水平煤層，因此本次模擬不考慮煤層傾角的影響。根據理論計算結果和工程實踐經驗，本研究對留2m、3m、5m、7m四種煤柱寬度的巷道進行沿空掘巷的模擬實驗，在無支護情況下對巷道回采階段進行數值模擬分析，通過對比數值模擬結果中巷道圍巖的垂直應力、水平應力來評價巷道圍巖在留不同煤柱寬度時的穩定性，通過對不同煤柱寬度巷道模擬結果的對比分析，確定合理的煤柱寬度。

表1 巖體力學參數

針對沿空掘巷工程特點，對數值模擬做下列假設：

（1）上區段工作面回采后，采空區內巖層活動的影響已經結束。應力得到重新分布并基本穩定。

（2）掘巷前上區段采空區頂板已經壓實，并形成穩定的側向砌體梁結構。

（3）煤巖體受力變形后，煤巖體力學參數不變。

由于垂直應力是造成巷道兩幫圍巖水平位移的主要因素，而水平應力是造成巷道頂底板圍巖垂直位移的主要因素，因此在分析巷道兩幫圍巖的應力狀態時，重點分析巷道兩幫圍巖的垂直應力，而在分析巷道頂底板的圍巖狀態時，重點分析巷道頂底板圍巖的水平應力。

回采期間巷道煤柱內的垂直應力及水平位移會發生新的變化。圖2為回采期間煤柱水平位移曲線，圖3為回采期間煤柱垂直應力曲線。

圖2 回采期間巷道煤柱水平位移曲線

圖3 回采期間巷道煤柱垂直應力曲線

由圖2可以看出：

（1）回采期間巷道煤柱向采空區的位移隨煤柱寬度的增大而增大，其中2m煤柱向采空區的水平位移為229mm，其中3m煤柱向采空區的水平位移為233mm，其中5m煤柱向采空區的水平位移為339mm，其中7m煤柱向采空區的水平位移為435mm。

（2）回采期間煤柱向巷道內的位移隨煤柱寬度的增大而增大，其中2m煤柱向巷道內的水平位移為49mm，其中3m煤柱向巷道內的水平位移為242mm，其中5m煤柱向巷道內的水平位移為462mm，其中7m煤柱向巷道內的水平位移為590mm。

（3）回采期間，2m煤柱幾乎整體向采空區一側移動，煤柱內沒有相對穩定的區域。3、5、7m煤柱都有相對穩定的區域。

由圖3可以看出：

（1）回采期間2m煤柱沒有出現明顯的應力峰值，而3、5、7m煤柱，均出現了較為明顯的應力峰值，并且應力峰值的位置都偏向巷道一側。其中3m煤柱峰值位置為距采空區1.61m處，峰值大小為2.54MPa；5m煤柱峰值位置為距采空區2.88m處，峰值大小為5.21MPa；其中7m煤柱峰值位置為距采空區4.33m處，峰值大小為8.87MPa。

（2）煤柱應力峰值的出現說明回采期間煤柱內形成了穩定的承載區，由此可知，回采期間2m煤柱沒有相對穩定的承載區域，承載能力較差，而3、5、7m煤柱有相對穩定的承載區，承載能力較好。

3 煤柱合理寬度確定

沿空巷道煤柱寬度的選取是沿空掘巷的一個重要環節。煤柱的穩定性關系到沿空巷道圍巖結構的穩定性。合理的煤柱寬度的選取應符合以下幾個方面：

（1）所留煤柱內有穩定的區域。受采空區側向支承壓力的作用以及巷道掘進的影響，煤柱兩側會出現破碎區，如果煤柱寬度過小，煤柱可能整體均為破碎區，這樣煤柱承載能力和穩定性都較差，并且將錨桿安置在破碎煤柱內時錨桿錨固力較小，錨桿支護作用較差，因此應保證所留煤柱內有較為穩定的區域。

（2）所留煤柱應有利于巷道的穩定性。煤柱寬度過小時，煤柱破碎、煤柱承載能力較小、巷道圍巖穩定性較差。因此應選擇合適的煤柱寬度保證煤柱的穩定性。

（3）巷道盡量布置在低應力區。上區段采空區圍巖活動結束后，在本區段煤體內部形成穩定的采空區側向支承壓力，按照側向支承壓力的分布情況可將本區段工作面煤體分應力降低區、應力升高區以及原巖應力區，巷道應布置在應力較低的地區，這樣有利于減小煤柱寬度并利于維護巷道圍巖穩定。

（4）盡量提高采出率。所留設的煤柱在保證巷道圍巖基本穩定的條件下，應盡量減小煤柱寬度提高煤炭采出率。

根據圖2中回采期間煤柱內水平位移曲線可以看出，回采期間2m煤柱整體向采空區一側移動，說明2m煤柱內沒有形成穩定的承載區。根據圖2中回采期間巷道圍巖移近量可以看出，巷道圍巖移近量在回采階段都呈現出隨煤柱寬度增大而增加的趨勢。根據圖3回采期間2m煤柱沒有出現明顯的應力峰值，而3、5、7m煤柱，均出現了較為明顯的應力峰值。煤柱應力峰值的出現說明回采期間煤柱內形成了穩定的承載區，由此可知，回采期間2m煤柱沒有相對穩定的承載區域，承載能力較差，而3、5、7m煤柱有相對穩定的承載區，承載能力較好。

由于3m煤柱在回采期間出現了相對穩定的區域，有穩定的承載能力，同時3m煤柱巷道在掘進及回采期間的的圍巖移近量均較小，考慮到3m煤柱內已經出現較為穩定的承載區，工程實踐中錨桿也能夠在煤柱中實現有效的支護，因此在實際應用中可以通過加強巷道支護來維護巷道圍巖穩定性；同時考慮提高煤炭回收率的原則，確定該沿空巷道合理煤柱寬度為3m。

4 現場數據觀測及分析

為驗證理論分析及數值模擬確定的煤柱寬度3m的合理性，在14191工作面上巷內布置3個測站，測站布置在距掘進頭5m處的位置（14191工作面上巷全長726m，該處所指掘進頭據巷道口352m），測站間距10m，每站設置4測點，2d觀測一次，觀測兩幫及頂底板移近量，觀測結果如圖4和圖5所示。

圖4 掘進期間巷道圍巖相對位移曲線

從觀測的結果可以看出：（1）在掘進巷道期間兩幫及頂底板圍巖穩定時間平均為20d左右，兩幫最大相對移近量平均為344.7mm，頂底板最大相對移近量為276.67m；（2）回采期間，隨著工作面與站點距離的靠近，巷道的變形量不斷增大，3站點的巷道兩幫最大累積相對移近量平均值為827mm，頂底板最大累計移近量為657.34mm。由此可見，巷道雖然在掘進期和回采過程中發生了一定的變形，但是巷道兩幫及頂底板的移近量在可控的范圍內，可以滿足正常生產對巷道的要求。

圖5 回采期間巷道圍巖累計相對位移曲線圖

5 結論

（1）基于煤柱寬度選取的基本原則，根據在回采中的煤柱內必須有較好的承載能力和相對穩定的承載區；結合理論分析的合理煤柱寬度結果，考慮到工程實踐的支護，確定該突出煤層條件下沿空掘巷的煤柱的最優寬度為3m。

（2）現場觀測數據表明：沿空掘巷留設3m寬煤柱，掘進期穩定時間平均20d左右，兩幫最大相對移近量平均為344.7mm，頂底板最大相對移近量為276.67m；回采期兩幫最大累計移近量為827mm，頂底板最大累計移近量為657.34mm，可以滿足生產需要。

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TD263

A

1004-5716(2015)10-0062-05

2015-03-02

2015-03-05

國家自然科學基金項目（51074066）；新疆自治區科技支疆項目（2013911038）。

南華（1976-），男（漢族），河南范縣人，博士，副教授，現從事煤礦安全、高效開采的相關研究和教學工作。