深部煤層沿空巷道窄煤柱留設尺寸研究

郜 露

（潞安環能股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046200）

深部開采時，在高應力作用下，深部巷道圍巖變形較淺部更加劇烈，易出現大變形而失穩[1]，因此，在實際生產中，通過利用沿空掘巷技術[2]，將巷道布置在臨采空區側煤體的應力降低區內來降低巷道圍巖的變形，這樣不僅能夠解決巷道圍巖應力集中問題，而且能夠提高資源回收率，提高工作面生產效率。本文基于常村礦2105工作面間煤柱尺寸留設較大，易造成煤柱內部應力集中，使得巷道變形嚴重的實際條件，進行合理窄煤柱的尺寸留設研究，最終確定合理煤柱寬度，為工作面留煤柱沿空掘巷提供相應借鑒。

1 工程概況

常村礦所采3#煤層位于山西組的中、下部，煤層賦存穩定。該工作面平均煤層厚度5.85m，煤層傾角0o～7o，煤體容重1.4t/m3，煤層普氏硬度0.4。

2105工作面地面標高為+935.1～ +941.4m，工作面標高為+420.6～ +485.1m，埋藏深度為453.2～517.7m 之間。

2 窄煤柱留設尺寸理論分析

上區段工作面開采后，側向煤體支承應力峰值向深部轉移，此時將沿空巷道布置在沿破碎區的塑性區內，可以有效改善巷道的圍巖力學環境。基于煤體應力分布規律和彈性力學理論，建立如圖1所示窄煤柱力學模型。

式（1）所示為極限平衡區理論計算公式[3]。

式中：

m-工作面采高，m；

α-煤層傾角，（°）；

A-側壓系數；

K-應力集中系數；

γ-上覆巖層平均體積力，MN/m3；

H-巷道埋深，m；

φ0-煤體內摩擦角，（°）；

C0-煤體內聚力，MPa；

Px-上區段工作面巷道煤幫的支護阻力，MPa。

其中當K=1時，即可得破碎區寬度：

圖1 煤柱極限平衡區力學模型

基于彈塑性力學理論和極限平衡區理論，設計煤柱寬度B范圍如圖2所示。

圖2 最小護巷煤柱寬度

因此最小煤柱寬度為[4]：

式中：

X1-煤柱臨采空區側形成的破裂區寬度，即式（2）中x0，m；

X2-錨桿有效長度，m；

X3-考慮煤柱厚度較大而增加的煤柱穩定性系數，m。

由式（1）和式（2）可得，取m=5.85m，α=5°，C0=3.0MPa，A=0.3，Px=0.4MPa，φ0=32°，γ=0.25MN/m3，H=485.5m，X2=2.2m，由此計算可得：

因此計算得窄煤柱最小理論寬度為B=5.95～6.5m。

3 窄煤柱穩定性驗證

基于上述理論數據進行數值模擬，分別選取窄煤柱寬度5m、6m、7m和8m四種模擬方案進行分析驗證，通過對不同寬度煤柱的巷道兩幫移近量和頂底板移近量分別提取，獲得如圖3所示的不同煤柱寬度巷道變形曲線圖。

圖3 不同煤柱寬度巷道變形曲線

分析圖3可知，在5m煤柱時，巷道頂底板移近量為343.8mm，兩幫移近量為308.4mm；當煤柱為6m時，巷道頂底板移近量為291.1mm，兩幫移近量為269.2mm，巷道圍巖變形整體呈下降趨勢；當煤柱增加到7m時，巷道頂底板移近量增大到321.1mm，兩幫移近量也相應增大到289.2mm；煤柱為8m時，巷道圍巖繼續增大，其中頂底板移近量為335.1mm，兩幫移近量為281.0mm，因此整個巷道圍巖變形曲線近似呈漏斗形狀，即煤柱為6m時，巷道圍巖整體變形量最小。

4 結論

通過對常村礦2105工作面條件下的理論分析和計算，獲得窄煤柱最小理論寬度為5.95～6.5m。通過窄煤柱模擬，進一步驗證確定了6m煤柱為合理窄煤柱寬度，該結論可為沿空巷道留設煤柱、巷道維護提供一定的借鑒意義。