深井動壓巷道保護煤柱合理留設寬度研究

李永峰

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

0 引 言

在我國巷道支護的諸多形式中，巷道保護煤柱通常以區段煤柱形式出現，這種巷道保護方法，屬于我國應用最為廣泛的巷道保護方法[1]。該方法在形式上是將兩個相鄰工作面的運輸順槽與回風順槽區別開來，這種方法，巷道管理較為簡單，巷道內運輸、通風、壓風以及供水系統相互隔離，互不干擾，優化了礦井管理難度[2]。在地應力分布上，由于下一工作面的順槽與上工作面順槽有一定的間距，避免了在下一工作面順槽在掘進時，受到上一工作面順槽掘進、以及工作面回采時的采動擾動，增加巷道維護成本，減少巷道失穩可能性[3]。

但在諸多礦井的生產實際中，對于區段煤柱寬度的取值，通常以經驗為主，一般為10～20m，并沒有進行理論計算與推導，這就減少了采區煤炭采出率，造成煤炭資源的浪費。同時，在一般埋深的礦井確定煤柱寬度時，10～20m可以起到對順槽的保護作用，但隨著我國煤炭開采深度的增加，巷道保護煤柱寬度的計算必須充分考慮到開采深度的因素對煤柱寬度的影響[4]。同時結合工作面開采擾動、煤巖力學參數等因素，對巷道保護煤柱寬度進行科學計算，并采用現場鉆孔窺視的方法，進行驗證。

1 工作面概況

該礦020201工作面布置于2#煤層的02采區，工作面地質構造總體為單斜構造，煤層走向為東西走向，煤層傾角平均18，煤層傾向0°，地質構造簡單，條件相對穩定，煤層厚度在2～2.5m左右，平均2.3m，夾矸3層，夾矸巖性為泥巖、炭質泥巖為主。原01采區工作面巷道保護煤柱依據經驗取20m，工作面順槽凈高4.3m，凈寬2.9m，支護參數見表3。

表1 煤層頂底板情況表

2 煤柱留設寬度理論

巷道保護煤柱的使用壽命主要有五部分組成，即：煤柱形成、一次采動影響、一次采動穩定、二次采動影響與二次采動穩定，由于在二次采動穩定階段，下工作面已經回采完成，故煤柱變形最為嚴重、順槽圍巖破壞最為嚴重。所以，在確定巷道煤柱合理寬度時，應當以二次采動影響下的煤柱穩定為研究對象。故煤柱寬度可按式（1）確定。

式中：B為煤柱寬度，m；x1為一次采動穩定階段煤柱塑性區寬度，m；x0為二次采動影響階段煤柱塑性區寬度，m；L1為煤柱內部彈性核寬度，m；

表2 地面相對位置及鄰近區域開采情況表

表3 巷道支護參數

2.1 煤柱塑性區寬度

圖1 煤柱力學模型示意圖

由圖1可知，巷道保護煤柱左右側受到Px的水平正應力的約束作用，即可視為支護阻力。煤柱兩側應力峰值分別為KγH、K'γH來表示，用σy表示。在σy作用下，煤柱塑性區有向外滑動趨勢，故塑性區與煤層頂底板之間有大小為τxy的滑移剪切應力，受到彈性核給的水平擠壓力σx。

同時，為充分考慮煤柱破壞深度，以煤柱塑性區寬度最大，即中部塑性區寬度計算；取Px=0時，即巷道支護失效時計算。則可得式（2）、式（3）計算煤柱一次采動穩定階段以及二次采動影響階段的煤柱塑性區寬度。

式中：x1為一次采動穩定階段煤柱塑性區寬度，m；x0為二次采動影響階段煤柱塑性區寬度，m；m為煤柱高度，取2.3m；φ0為2#煤內摩擦角，由實驗室測量取22°；γ為2#煤視密度，由實驗室測量取24.2kN/m3；C0為 2#煤內聚力，由實驗室測量取2400kP；H為2#煤埋藏深度，750m；K為一次采動穩定階段，彈性核與塑性區應力鄰界面上應力集中系數（1～2.5），取 2.5；K'為二次采動影響階段，彈性核與塑性區應力鄰界面上應力集中系數（2～3.5），取 3.5；λ為煤層深度系數，取0.47。

2.2 煤柱彈性核寬度

由圖1中的應力分布可知，為保證彈性核不破壞，則最小彈性核的寬度，見式（4）。

式中：L1為煤柱彈性核最小寬度，m；m為煤柱高度，取2.3m；φ為2#煤內摩擦角，由實驗室測量取22°；γ為2#煤視密度，由實驗室測量取24.2kN/m3；C為2#煤內聚力，由實驗室測量取2400kP；H為2#煤埋藏深度，750m；K為一次采動穩定階段，彈性核與塑性區應力鄰界面上應力集中系數（1～2.5），取2.5；K'為二次采動影響階段，彈性核與塑性區應力鄰界面上應力集中系數（2～3.5），取 3.5；

同時，為全面考慮影響煤柱穩定性的時間、采掘擾動等因素，最終確定煤柱寬度，見式（5）

式中：x1為一次采動穩定階段煤柱塑性區寬度，m；x0為二次采動影響階段煤柱塑性區寬度，m；L1為煤柱彈性核最小寬度，m；α為巷道掘進擾動影響因子（1～1.5），取1.4；d為工作面回采擾動影響因子（1.5～3.0），取3.0。T為煤柱隨時間弱化因子，取0.6。

3 計算結果與工程應用

帶入數據，由式（5）可得，該礦020201工作面回采巷道保護煤柱寬度為26.78m，在工程實際中順槽保護煤柱取27m。同時，在020201工作面回采時，對巷道保護煤柱進行了鉆孔窺視（0～5m），見圖2。

圖2 020201工作面回采時順槽保護煤柱窺視圖

圖3 020107工作面回采時順槽保護煤柱窺視圖

圖3 為相鄰020107工作面回采時，順槽保護煤柱的內部（0～5m）鉆孔窺視圖，在相同支護參數條件下，020107工作面回采時順槽保護煤柱在0～5m的范圍內出現了較為劇烈的破壞，煤柱內部破碎，且裂隙發育明顯，巷道變形劇烈，并進行了煤柱注瑪麗散，以維護巷道圍巖穩定。但是，在煤柱寬度增加至27m后，由圖2可見，煤柱內部只在0～2.5m范圍之內出現了破壞，煤柱內部并未出現明顯裂隙，說明此時煤柱穩定性好，同時020201回采巷道并未出現明顯變形，有效控制了巷道圍巖。

4 結 論

1）結合該礦深井回采巷道保護煤柱失效的實際問題。在綜合考慮埋藏深度、采掘擾動以及時間等影響參數后，確定巷道保護煤柱寬度計算公式確定為：

2）帶入參數，利用煤柱寬度計算公式，計算可得，巷道保護煤柱合理寬度為27m。

3）在相同支護參數時，對不同寬度的工作面巷道保護煤柱進行鉆孔窺視，合理的煤柱寬度，有效控了巷道圍巖穩定性，控制了煤柱破壞失穩范圍。