孤島工作面沿空掘巷合理煤柱寬度研究

趙 寧

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048400）

許多研究學者針對孤島工作面留設煤柱合理寬度進行了研究。張立明采用彈塑性理論、輔助面積公式、數值模擬等手段確定了五陽煤礦孤島工作面合理煤柱寬度[1]；姚博建立了沿空掘巷力學模型，得到護巷窄煤柱合理寬度為4.46～7.3 m[2]；王晨輝分析了不同煤柱寬度下的巷道圍巖穩定性，得到4 m為最優煤柱寬度[3]。由于東峰煤礦3112工作面環境較為復雜，針對工作面具體條件分析孤島工作面煤柱合理寬度，保證巷道安全穩定具有重要意義。

1 工程概況

東峰煤礦有限公司屬于山西蘭花集團，位于山西省晉城市高平市。東峰煤礦現開采3 號煤層，煤層厚度4.63～6.62 m，平均5.96 m，含0～3 層泥巖及炭質泥巖夾矸，夾矸厚 0～0.8 m，平均0.15 m。該煤層屬全區穩定可采煤層。3號煤層頂底板情況見表1。

3112工作面位于首采區西翼，南北兩側分別為3114和3110回采工作面采空區，西側為實體煤，東側為采區膠帶上山，與膠帶上山之間留設保護煤柱70 m。采用綜采放頂煤方法。

表1 3號煤層頂底板情況

2 沿空掘巷煤柱寬度理論分析

2.1 孤島工作面沿空掘巷力學模型

圖1中孤島工作面沿空掘巷與一般的沿空掘巷基本一致，隨著上個工作面的開采完畢，采空區邊緣基本頂受礦山壓力影響會發生破斷，形成一個弧形三角塊體[4]，從而在采空區邊緣位置處形成一個卸壓區，在此卸壓區內合理的位置處掘進巷道，巷道此處受到礦山壓力較小，且圍巖變形量小，容易維護，但仍需注意若位置選取不當，沿空掘巷留設煤柱容易發生破碎，支護困難。

圖1 孤島工作面沿空掘巷圍巖結構力學模型[2]

根據沿空留巷護巷煤柱保持穩定的力學條件分析可知，當煤柱受到擠壓時，煤柱兩側會產生一定程度的塑性變形，而煤柱中間會形成一定范圍的彈性核區。沿空掘巷留設煤柱寬度應大于產生塑性變形的寬度，并保留一定寬度的煤柱彈性核區，才足以保證煤柱的穩定，進而維持巷道圍巖的完整性。

2.2 煤柱寬度理論計算

根據煤柱穩定的極限平衡理論[2]可得，為保證煤柱的穩定性且保證最大的煤炭采出率，需讓煤柱寬度滿足以下公式即可：

式中：B為煤柱寬度，m；x1為錨桿支護有效長度，m；x2為煤柱穩定系數；x3為煤柱塑性區寬度，m。

根據彈性力學理論分析可知，煤柱中的塑性區寬度為：

式中：φ為煤層內摩擦角，°；f為煤層與頂底板摩擦系數；γ為側壓系數；k為應力集中系數；C為煤體粘聚力，MPa；H為巷道埋深，m；p為支架對煤壁阻力，MPa；mc為煤層厚度，m。

根據東峰煤礦3112工作面具體地質賦存條件，經過現場實測可以得到工作面參數（見表2），代入公式（2）中可以得到3112工作面煤柱塑性區寬度為4.5 m。

表2 3112工作面3號煤層力學特性參數

然后進一步代入公式 （1），x1取2.4 m，x2=0.2×（x1+ x3）=1.38 m，可以得到3112工作面沿空留巷護巷煤柱寬度為B≥8.28 m。因此，通過力學分析，當3112工作面沿空留巷煤柱大于等于8.28 m時，可以保證護巷煤柱的穩定，進而保證沿空留巷的圍巖穩定。

3 煤柱合理寬度數值模擬分析

根據東峰煤礦3112工作面所處具體地質賦存條件，根據通過巖石力學實驗測得的采場煤巖層的物理力學參數，采用UDEC建立了數值模擬計算模型，模型上部邊界施加補償載荷2.6 MPa，模型下邊界及兩段邊界固定位移。

模型平衡完成后，首先開挖3114工作面和3210工作面，待開挖穩定之后，再沿空掘巷，護巷煤柱寬度取4個方案，分別為7 m、8 m、9 m、10 m。并在護巷煤柱內設置應力監測點，記錄分析護巷煤柱應力變化規律，為選取合適的護巷煤柱尺寸提供依據。

根據以上數值模擬方案，針對不同護巷煤柱寬度下的煤柱應力數據進行提取分析，可以得到不同寬度煤柱垂直應力變化規律，見圖2。

圖2 不同寬度煤柱垂直應力變化規律

分析圖1可以得到：

（1）當護巷煤柱寬度為7 m時，由于受到3112工作面采動和回風巷道掘進的影響，7 m寬度的煤柱顯然不能承載上覆巖層的礦山壓力，煤柱垂直應力分布狀態為三角形形狀，峰值為4.2 MPa，低于3112工作面煤層原巖應力6.5 MPa。因此，當護巷煤柱為7 m寬度時，煤柱已經發生嚴重破壞，內部不存在彈性核區，全部為塑性變形破壞，已經失去承載力。

（2）當護巷煤柱寬度為8 m時，護巷煤柱垂直應力分布狀態逐漸轉化為梯形形狀，此時煤柱峰值應力為6.6 MPa，與工作面原巖應力6.5 MPa非常接近，表明此寬度的護巷煤柱處于應力極限平衡狀態，與7 m的護巷煤柱相比，煤柱雖未發生較大的破壞變形，承載力有所提升，但此狀態下煤柱仍然有發生破壞的可能性。

（3）當護巷煤柱寬度為9 m時，護巷煤柱垂直應力分布狀態已經轉化為梯形形狀，此時煤柱應力峰值為8.3 MPa，與工作面原巖應力6.5 MPa相比，應力集中系數為1.3。表明此時的煤柱承載力得到了顯著的提高，煤柱內部存在一定范圍的彈性核區。因此，3112工作面護巷煤柱寬度至少為9 m。

（4）當護巷煤柱寬度為10 m時，煤柱內垂直應力峰值為9.6 MPa，此時煤柱中部位置應力集中系數為1.5，可得隨著護巷煤柱尺寸的增大，煤柱承載力也不斷提高。

4 煤柱合理寬度確定

根據上述理論力學分析和數值模擬實驗結果分析可知，當護巷煤柱寬度不小于9 m時，可以保證煤柱內部存在彈性核區，進一步保證煤柱和沿空掘巷的穩定性，隨著煤柱尺寸的增大，煤柱承載力也隨之提高，但為了盡可能的回收煤炭資源。因此，東峰煤礦3112孤島工作面護巷煤柱寬度選取為9 m。

5 工業試驗

東峰煤礦3112孤島工作面采用護巷煤柱為9 m的沿空留巷，并采取一定的加強支護技術。3112工作面回采過程中，采用十字布點法針對巷道圍巖變形量進行監測，在3112工作面采動影響下巷道頂底板移近量穩定在128 mm，兩幫移近量穩定在106 m，護巷煤柱未發生明顯破壞，巷道變形量得到了有效的控制，保證了沿空巷道的安全穩定。

6 結語

以東峰煤礦3112孤島工作面回采巷道沿空掘巷工程為背景，通過理論力學分析得到煤柱寬度為8.28 m，采用UDEC數值模擬實驗，分析了煤柱不同寬度時的垂直應力分布規律，確定3112工作面沿空留巷護巷煤柱合理留設寬度為9 m。工業試驗表明，沿空巷道沒有出現較大的變形破壞，取得了良好的應用效果。