深部厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

米文寶魏 輝（.河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局，河北省唐山市，063000；.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，66000）

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深部厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

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.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東省青島市，266000）

摘 要針對唐山煤礦Y485里工作面沿空掘巷留設煤柱尺寸問題，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)值模擬對采空區(qū)側(cè)垂直應力分布進行模擬計算，得出了應力降低區(qū)范圍為0～8 m，并分別模擬了不同煤柱寬度下垂直應力的分布規(guī)律，綜合考慮確定工作面沿空掘巷煤柱留設尺寸為5 m，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

在深部開采過程中，受到高地應力、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，必須進行合理的開采設計，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問題在開采設計中尤為重要，煤柱寬度留設不合理將會影響工作面采掘期間巷道的穩(wěn)定性。煤柱寬度較小時，巷道對支護的要求就會提高；煤柱寬度較大時，不僅增加煤柱的承受載荷，而且浪費寶貴的煤炭資源。尤其是在深部厚煤層礦井中，煤柱留設不合理會導致巷道變形加劇、支護困難、沖擊地壓頻發(fā)等問題，嚴重影響工作面的安全開采。

目前，已有許多專家對煤柱的留設寬度進行了研究，但大都是常規(guī)情況下的煤柱留設寬度，對深部厚煤層條件下的煤柱留設寬度研究較少，而具有深部和厚煤層雙重復雜條件下的工作面煤柱留設將會更加困難，不僅要考慮最優(yōu)留設寬度，還要防止深部高地應力導致沖擊地壓的發(fā)生。本文以唐山礦Y485里工作面為研究對象，對工作面之間的煤柱最優(yōu)留設寬度進行研究，在保證巷道穩(wěn)定的前提下，設計最優(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7 m，煤層平均傾角24°，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。

圖1　Y485里工作面布置示意圖

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的深灰色細砂巖，成份以石英為主，局部含鈣質(zhì)，較堅硬；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)附近會出現(xiàn)較高的應力集中現(xiàn)象。因上覆巖層的自重作用和采動影響，工作面頂板較堅硬的巖層會出現(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)布置下一個工作面的服務巷道，巷道受到頂板自重和開采擾動，就會出現(xiàn)更加復雜的應力疊加現(xiàn)象。此時，下個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)依次分為應力降低區(qū)（A）、應力急增區(qū)（B）、應力緩降區(qū)（C）和應力原始區(qū)（D），如圖2所示。

圖2　采空區(qū)側(cè)向支承應力分布曲線

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)，煤體承受的應力不大；隨著煤體的破碎程度逐漸減小，煤體所承受的應力急速增加，B區(qū)域的應力能夠達到2～3倍的原巖應力；C區(qū)域因遠離采空區(qū)，煤體大部分保持彈性變形狀態(tài)，在側(cè)向支承應力達到峰值后隨距離增加開始緩慢下降，逐漸降低至原始應力區(qū)D并保持穩(wěn)定。

若要在采空區(qū)側(cè)進行下個區(qū)段的巷道掘進工作，首先要保證巷道的穩(wěn)定性，最好將巷道布置在低應力區(qū)。若在A區(qū)域的Ⅰ位置開挖巷道，巷道位于側(cè)向應力的內(nèi)應力區(qū)，屬于應力降低區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)布置巷道對煤體支承壓力的影響較小，引起的圍巖應力擾動和支承壓力變化不大，不會引起沖擊地壓事故。若在應力增高區(qū)B內(nèi)Ⅱ位置布置巷道，巷道周圍的集中應力與采空區(qū)側(cè)的應力相互疊加后，形成更高的支承壓力，巷道在高應力和煤柱應力的雙重作用下，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寬度，將巷道布置在低應力區(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)沿空掘巷留設不同寬度煤柱時，巷道的變形情況及穩(wěn)定性。根據(jù)Y485里工作面的實際地質(zhì)情況，建立模型尺寸為200 m×50 m×50 m（長×寬×高），共劃分為500000個網(wǎng)格單元。巷道埋深按850 m計算，在模型頂板施加上覆巖層自重應力21.25 MPa，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－庫倫準則進行計算，具體巖層力學參數(shù)如表1所示。

表1　煤層頂?shù)装鍘r層力學參數(shù)

3.2 采空區(qū)側(cè)垂直應力分析

Y486工作面回采結(jié)束后，根據(jù)模型計算得出工作面采空區(qū)側(cè)垂直應力的分布規(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力最小，隨著距采空區(qū)邊緣距離的增大，應力逐漸增加，在距采空區(qū)邊緣約8～9 m處垂直應力有小幅度下降，此區(qū)域為應力降低區(qū)；在距采空區(qū)約16 m的位置達到應力最大值為45.3 MPa，應力集中系數(shù)達到2.38。垂直應力在距采空區(qū)40 m左右時達到原巖應力狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果初步判斷，巷道應布置在采空區(qū)側(cè)應力的內(nèi)應力場中，在考慮巷道寬度的基礎上，煤柱的寬度應小于7～8 m，使得巷道位于低應力區(qū)內(nèi)。

圖3　采空區(qū)側(cè)垂直應力分布曲線

3.3 煤柱留設寬度分析

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

圖4　不同煤柱寬度的垂直應力曲線

由圖4可知，煤柱寬度3 m時，因靠近采空區(qū)，煤柱破碎程度較大，所承受的垂直應力為14.2 MPa；煤柱寬度4 m時，煤柱上方垂直應力稍微增加，大約為17 MPa；煤柱寬度5 m時，垂直應力最大值達到18.5 MPa，接近原巖應力；當煤柱寬度為6～7 m時，因距采空區(qū)較遠，煤柱所承受的載荷逐漸增大，最大值分別為21.6 MPa和23.7 MPa，均超過原巖應力，若支護不合理或受采動影響，可能會發(fā)生沖擊地壓。綜合以上分析，考慮錨桿支護的極限長度和資源的合理利用，選擇寬度為5 m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，而且可以節(jié)省較多的煤炭資源。

4　工程驗證

為驗證煤柱留設寬度的合理性，在Y485里工作面運輸巷采用十字布樁法進行了圍巖變形觀測，對頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟窟M行了實時監(jiān)測，在約30 d時巷道頂板下沉量為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，存在應力降低區(qū)，考慮煤柱受力原則和巷道便于維護，應將巷道布置在低應力區(qū)內(nèi)，而避免將巷道布置在應力增高區(qū)，加大巷道的受壓載荷，增加支護難度。

（2）利用數(shù)值模擬分析了采空區(qū)垂直應力分布曲線，得出應力降低區(qū)范圍在0～8 m范圍內(nèi)，并分別研究了煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m和7 m條件下煤柱的垂直應力變化情況，在巷道支護要求和資源合理利用的前提下，確定沿空巷道留設煤柱的最優(yōu)尺寸為5 m，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。

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（責任編輯 張毅玲）

Research on reasonable pillar width of roadway driving along next goaf in deep and thick seam

Mi Wenbao1，Wei Hui2
（1. Hebei Coal Mine Safety Supervision Bureau Jidong Monitoring Stations，Tangshan，Hebei 063000，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266000，China）

AbstractTo determine the retaining pillar width of roadway driving along next goaf in Y485 inner working face of Tangshan Coal Mine，the distribution law of supporting pressures in roadway beside goaf was analyzed，and the optimal roadway driving position along next goaf was studied.The vertical stress distribution in the roadway beside goaf was calculated by FLAC3D numerical simulation，which concluded that the range of stress-relaxed area was 0～8 m，then the distribution laws of vertical stress under the conditions of different coal pillar widths were simulated.By overall consideration，the pillar width of roadway driving along next goaf was determined as 5 m，which could not only keep the stability of the roadway，but also reduce the waste of coal resources.

Key wordsdeep mining，thick coal seam，roadway driving along next goaf，coal pillar width，numerical simulation

中圖分類號TD353

文獻標識碼A

作者簡介：米文寶（1969－），男，河北唐山人，采煤高級工程師，現(xiàn)任河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局主任。