小煤柱沿空掘巷合理寬度研究

王豪

合理的沿空掘巷窄煤柱寬度影響巷道整體穩定性，對控制巷道支護成本，提高煤炭采出率具有重要意義。本文以山西焦煤汾西礦業宜興煤業1202運輸巷道為工程背景對小煤柱沿空掘巷合理寬度進行研究。

1 工程概況

1202工作面運輸巷道布置在3下煤中，為全煤巷道，其地面標高+35～32.6 m，井下標高-335 m～350 m。該煤層賦存穩定，均厚3.5 m，傾角為18°左右，相對密度1.26～1.36 t/m3。1202工作面運輸巷道沿煤層走向掘進，其頂板巖性主要為粉砂巖，碎屑結構，層狀構造，底板巖性主要為粉砂巖，泥質結構，層狀構造。3下煤頂底板圍巖特性如表1所示。

表1 3下煤頂底板圍巖特性

2 沿空掘巷圍巖穩定性分析

2.1 沿空掘巷覆巖破斷特征分析

沿空掘進巷道上區段工作面開采后上覆巖體將會垮落，并在巷道上方形成圖1中的穩定性鉸接結構模型[1-3]，利于巷道圍巖的控制。

圖1 沿空掘進巷道覆巖破斷特征

2.2 上區段工作面側向支承力分布規律分析

沿空掘進巷道開掘前，上區段工作面側向支承壓力分布規律見圖2，分為應力降低區C、應力增高區B、原巖應力區A。沿空掘巷一般選擇應力降低區，有利于降低巷道的支護強度和成本，同時提高了煤炭的采出率。

圖2 沿空掘巷上區段工作面側向支承力分布特征

3 合理的窄煤柱寬度設計

3.1 理論計算

沿空掘巷窄煤柱最小護巷寬度[4-6]見圖3。

圖3 窄煤柱寬度

由彈塑性極限平衡理論可知，沿空掘巷窄煤柱寬度B最小值為：

式中：x1為采空區側向支承壓力在煤柱淺部造成的屈服區寬度，m；x2為錨桿錨入煤柱的深度，x2=R1-R0，m；x3為 安 全 系 數 ，x3= （0.15 ～0.35）（x1+x2），m。

式中：M為上區段平巷高度，3.1 m；β為側壓系數，β=μ/(1-u)，μ為泊松比，取0.34；K為應力集中系數，取2.4；γ0為上覆巖層平均體積力，取0.025 MN/m3；H為巷道埋深，取380 m；α為煤層傾角，取18°；C0為煤體黏結力，取2.0 MPa；Φ0為煤體內摩擦角，取為30.0°；Px為上工作面平巷支架的支護阻力，取0；Pi為支護阻力，取0；R1為塑性區半徑，m。

式中：R0為巷道等效半徑，取2.5 m。

通過計算得知x1=1.42 m；x2=3.028 m；B=x1+x2+（0.15～0.35）（x1+x2）=（1.15～1.35）（x1+x2）=（1.15～1.35）（1.42+3.028）=5.12～6.01 m。

3.2 數值模擬

通過FLAC5.0軟件建立了80.0 m×50.0 m力學模型，分別模擬窄煤柱寬度分別為4 m、5 m、6 m、7 m時巷道圍巖應力特征及變形量。開挖后巷道圍巖垂直應力分布見圖4，形變特征見圖5。

圖4 不同煤柱寬度下圍巖垂直應力分布特征

圖5 不同煤柱留設寬度對巷道形變影響特征

由圖4、圖5可知：當煤柱寬度在4～6 m時，隨著煤柱寬度的增加，窄煤柱上最大垂直應力由低于原巖應力（16 MPa）的14 MPa增至17.5 MPa，表明窄煤柱承載能力增強，巷道的頂底板、兩幫的形變量也呈現減小的趨勢。當煤柱寬度在6～7 m時，雖窄煤柱內彈性區有所擴大，但由于巷道靠近上區段側向支承壓力峰值，致使巷道的圍巖變形量呈增加趨勢。

綜合考慮沿空掘進巷道受力狀況、形變量和煤炭采出率，確定窄煤柱寬度6 m最宜。

4 結語

通過對1202工作面運輸巷道工程地質條件、圍巖力學性能、圍巖穩定性分析，結合理論計算和數值模擬，確定沿空掘巷最宜窄煤柱寬度為6 m。

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