大斷面綜放工作面巷道煤柱寬度探討

武慧龍

（山西西山煤電集團公司 西曲礦，山西 030200）

該礦普遍留設30 m左右寬煤柱維護巷道，造成資源浪費外，還會產生安全隱患等問題。合理的煤柱寬度對于提高煤炭資源回收率、保證巷道穩定以及實現綜合開采高產高效意義重大。

1 22108工作面基本情況

東曲礦22108工作面煤層較穩定，煤層傾角平均15.3°，厚度6.3～13.5 m，平均厚度9.7 m。工作面長2344 m，傾向長238 m，采用綜放采煤工藝，采煤高度2.4 m，放頂煤高度9.4 m。

2 煤柱寬度理論計算

巷道煤柱上所承載的應力是上方煤巖層自重所產生的，計算方法如下：

（1）煤柱上承載的應力：

式中：B為寬度；D為開采寬度；H為巷道深度；δ為傾斜角，γ為平均體積力。

（2）煤柱單位面積的平均應力：

式中：B為煤柱寬度；P為煤柱上覆巖層的總載荷。

（3）煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過極限強度R，其中R為：

式中：B為煤柱寬度；h為煤柱高度。

開采區和巷道煤柱在邊緣上的應力相對于原始煤層上的應力可以是呈倍數的集中，煤柱邊緣抗壓強度低，所以煤柱邊緣就會收到不同程度的損傷。開采空間和煤柱巷道之間有塑性區，此區可以變形，當煤柱兩側的這個塑性區互相貫通，煤柱就不再穩定，就會出現崩塌等安全問題[1]。

針對東曲礦22108工作面采用上述公式的載荷估算法，代入參數值D=200 m，H=400 m，M=6.25 m，h=3.5 m，煤的單軸抗壓強度為11 MPa，采空區上覆巖層垮落角為30°，上覆巖層平均體積力為24 kN/m3。代入理論方程式，得B=17.9 m。又根據極限平衡理論，求得L0為5.3 m，B0為15.91 m，B為19.6 m。 綜合分析，巷道煤柱合理寬度取值20 m。

3 煤柱寬度數值模擬分析

通過使用Itasca公司開發的FLAC3D數值模擬軟件和應用莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則分析不同煤柱寬度對于巖體變形、判斷巖體是否遭到破壞的影響并建立數值模型[2]。建模所取巖體力學參數見表1。

表1 煤礦力學參數

圖1 22108工作面下的數學計算力學模型

圖2 不同煤柱寬度下形變量模擬

模擬實驗結果證明，當煤柱寬度較小時，約在10 m左右，煤柱兩側與巷道之間的塑性形變區相互貫通，只有塑性區，而沒有彈性區，整個煤柱都將處于不穩定狀態，但煤柱寬度增大的話，煤柱塑性區就開始縮小。煤柱寬度逐漸增大，增至20 m左右時，煤柱兩側與巷道之間約為8.9 m，巷道側寬度為2.83 m。逐漸開始出現彈性區，煤柱可以保持穩定；煤柱寬度如果持續增加到30 m時，塑性區將不再變化，彈性區逐漸增大[3]。也就是當達到煤柱寬度的一定值后，煤柱會更加穩定，有利于安全生產和巷道支護維護，但會損失煤炭資源。

由圖3可以看出，煤柱寬度與變形量的總體上趨勢是，當煤柱寬度逐漸增大時，巷道圍巖變形量即位移是呈逐漸減小的趨勢。煤柱寬度在10 m增至20 m時，變形量的減小是巨大的，相比較其他煤柱寬度的減小趨勢。而煤柱寬度大于20 m時，變形量的減小是愈加緩慢的。煤柱作用于兩幫的變形量，工作面附近巷道兩幫水平位移較大，隨著距離增大，變形量減少。煤柱寬度從3 m增至7 m的整個過程中，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增加而減小；煤柱尺寸從10 m增到20 m的整個過程中，巷道邊緣形變量逐漸減小。這說明20 m是煤柱寬度的一個臨界點，在20 m范圍內增大煤柱寬度對巷道變形影響較小，而煤柱寬度小于20 m時巷道變形量隨著煤柱寬度增加急劇減小[4]。

圖3 不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形量

當煤柱寬度不斷增加時，垂直作用在煤柱上的應力逐漸增大，說明開采部分在煤柱寬度增大的條件下，承載能力也在逐步增強。煤柱邊緣的載荷減小，這部分重量減到煤柱上去了。可以看到，如果煤柱寬度達到特定值時，煤柱以及煤柱邊緣所承受的垂直應力大小基本相等，這時，煤柱以及煤柱邊緣所承受的應力都比較大。隨著煤柱寬度繼續增大，煤柱起了主要承力作用。當煤柱寬度較小時，煤柱承受垂直應力實際不大，垂直應力主要集中在煤柱邊緣，所以會出現位移形變的應該是出現在煤柱的邊緣，此時的煤柱的位移在應力下是最大的，大于其它煤柱寬度下的位移，所以造成的破壞是巨大的，不能保證巷道的安全，煤柱全然不能起支撐的作用。如果煤柱寬度大于此定值時，主要起支撐作用的是煤柱，所以煤柱不會完全被壓垮，此時若能及時采取適當措施，維護煤柱的穩定，煤柱仍能保持一定的穩定狀態。所以如果煤柱寬度是中等寬度的話，煤柱就會受到很大的壓力，對穩定性而言是很不利的；如果煤柱寬度較大，煤柱足以支撐使其保持穩定，但造成煤炭損失就會比較大。綜合安全因素和經濟因素考慮，建議煤柱寬度在20 m左右。

4 結語

通過東曲礦22108工作面的實際測量和應用FLAC3D模擬軟件對礦井土質、巖石、巷道頂板和煤幫的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析，以及對綜放工作面巷道的合理布置進行研究，認為合理煤柱寬度為20 m，能夠有效保障煤柱巷道圍巖穩定。東曲礦22108工作面煤柱寬度為20 m，實際觀測情況良好，對類似大斷面巷道的支護技術應用具有的理論和指導意義。

〔1〕賈光勝，康立軍.綜放開采采準巷道護巷煤柱穩定性研究[J].煤炭學報，2002（1）.

〔2〕謝廣祥，楊 科，常聚才.煤柱寬度對巷道圍巖穩定性影響分析[J].地下空間與工程學報，2009（5）.

〔3〕戴 晉.軟厚煤層大斷面巷道保護煤柱尺寸留設研究[J].煤礦現代化，2014（5）.

〔4〕趙則龍，張 磊.淺埋大采高工作面區段煤柱下合理留設寬度模擬研究[J].華北科技學院學報，2014（11）.

〔5〕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，2008（2）.