沿空掘巷窄煤柱合理寬度研究

李江浩

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

干河煤礦目前正準備進行設計長度為160m 的2-105 工作面的布置，設計與工作面匹配的凈寬度為4800mm、凈高度為3500mm、凈斷面積16.8m2的2-1051 回風順槽及2-1052 運輸順槽。2-105 工作面開采平均傾角6°、平均厚度為4.2m 的2#煤層。煤層1.7m 厚的基本頂由中粒砂巖構成，直接頂為砂質泥巖，平均厚度為6.4m，無偽頂；煤層基本底和直接底為中粒砂巖和砂質泥巖，平均厚度分別為10.6m 和1.1m。原來一直采用20m 護巷煤柱的寬度，為提高回采率，需進行窄煤柱沿空掘巷研究。

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度的理論研究

2.1 沿空巷道圍巖力學結構模型分析

沿空掘巷圍巖力學模型如圖1 所示。上區段工作面回采結束后，頂板由于沒有支撐點而發生彎曲、斷裂及垮落，基本頂與覆巖出現離層現象，形成圖1 中巖塊A、B、C 破斷形式。圖中巖塊A并未發生明顯變形，靜置于煤層上方；巖塊B 一側位于實體煤內，另一側位于采空區，故沿斷裂線發生回轉、彎曲、下沉，其決定覆巖結構的穩定性，故又稱為關鍵塊B；巖塊C 是全部由采空區矸石支撐的斷裂塊。

圖1 沿空巷道圍巖力學結構模型

當采空區覆巖運動穩定后，會形成如圖1 中所示的S0內應力場、S1外應力場、S2原巖應力場。顯然S0內應力場的支承壓力由已斷裂覆巖自重和其運動情況決定，S1外應力場則由于受到巷道開挖影響而成為應力升高區，S2原巖應力場的支承壓力即為覆巖自重。故為了保證窄煤柱及沿空巷道的穩定性，應將窄煤柱及沿空巷道布置在S0應力場內。

2.2 窄煤柱寬度上限值的計算

根據“內外應力場”理論[1]可計算出沿空掘巷所留窄煤柱的上限值，沿空掘巷所在工作面初次來壓時所受基本頂自重與工作面內應力場區域所受的支承壓力相等。基本頂自重由式（1）確定。

式中：

l-2-105 工作面的設計長度，取160m；

γ-2-105 工作面覆巖基本頂的容重，26.2N/m3；

b-2-105工作面覆巖基本頂的初次來壓步距，m，可由式（2）計算得到；

h-基本頂厚度，6.2m。

式中：

q-工作面基本頂所受覆巖載荷，521.3kPa；

σt-基本頂的抗拉強度，4.6MPa。

S0內應力場區域內的支承壓力F 由式（3）確定。

式中：

y0-煤柱表面煤壁的壓縮量，0.5m；

G0-臨近采空后覆巖發生破斷時斷裂線周圍煤體進入塑性狀態后的剛度，646MPa。

聯立上述三式，即可確定S0內應力場寬度的求解公式為式（4）。

將2-105 工作面相關數據代入式（4）即可求得2-105 工作面沿空掘巷時S0內應力場寬度為12.6m。由于2-1052 巷設計寬度為5m，故窄煤柱的上限寬度L上應小于等于7.6m。

2.3 窄煤柱寬度下限值的計算

由圍巖極限平衡理論[2]可得到式（5），計算出沿空掘巷留設窄煤柱的最小寬度，如圖2 極限平衡理論窄煤柱理論計算示意圖，所設計窄煤柱的右側為上一工作面的采空區，左側為2-1052 巷道。

圖2 窄煤柱計算模型

式中：

X-理論計算得到的2-1052 巷護巷窄煤柱的寬度，m；

X1-2-1052 巷護巷煤柱的穩定性系數，可由式 0.2（X0+X2）計算得到；

X2-2-1052巷支護參數中錨桿的有效錨固長度，為2.4m；

X0-2-1052 巷右側工作面采空區應力作用下形成的塑性區寬度，可由式（6）計算得到。

式中：

m-2-105 工作面設計采高，取4.2m；

k-2-1052 巷所受集中應力系數，為3；

λ-2-1052 巷所受側壓系數，取0.15；

γ-所采2#煤層的覆巖平均容重，取24.8kN/m3；

P0-設計支護參數下2-1052 巷護巷煤柱所受到的支護阻力，取0.2MPa；

C0-2-105 工作面所采2#煤的粘聚力，取2MPa；H-設計沿空掘巷2-1052 巷的埋深，取200m；φ0-2-105 工作面所采2#煤的內摩擦角，取22°。

由上述參數及式（6）計算得出2-1052 巷右側工作面采空區應力作用下形成的塑性區寬度，X0=0.9m，進一步計算出煤柱穩定性系數X1=0.66，故本工作面所留設窄煤柱的最小寬度為3.96m。

綜上，經過理論分析得出2-105 工作面沿空掘巷窄煤柱留設的上下限分別為7.6m 和3.96m。

3 沿空掘巷窄煤柱合理寬度的數值分析

3.1 建立模型

以2-105 工作面2-1052 巷留窄煤柱沿空掘巷為研究對象，通過FLAC3D軟件借鑒其他留設窄煤柱沿空掘巷的建模經驗[3-4]，建立長寬高分別為200m、300m、82.5m 的模型。模型頂底板巖層力學參數的選取見表1，研究上區段工作面受不同寬度窄煤柱影響下側向支承壓力的分布特征及掘進過程中巷道的表面位移量，在模型的上邊界施加4MPa的等效載荷替代煤層埋深200m 的覆巖載荷。結合上文所確定的窄煤柱的取值范圍，本次模擬先后分析留設3m、4m、5m、6m、7m、8m 的窄煤柱進行護巷時煤柱及巷道的應力場分布來確定窄煤柱的合理寬度。

3.2 合理窄煤柱寬度的數值模擬分析

如圖3 為不同寬度窄煤柱影響下巷道煤柱幫側向支承壓力的分布特征曲線圖。3m、4m、5m 窄煤柱寬度下煤柱所承受的垂直應力峰值均小于原巖應力，說明這種寬度的煤柱沒有對覆巖形成良好的支撐；所留設窄煤柱寬度為7m、8m 時煤柱幫內的垂直應力峰值較6m 窄煤柱條件下的垂直應力峰值無大幅提升，說明6m 窄煤柱所形成的17.8MPa 的垂直應力已經能夠對覆巖形成良好的支撐，7m、8m寬的煤柱對覆巖的承載作用無明顯提升。從2-1052巷沿空掘巷側向支承壓力的分布特征分析，6m 窄煤柱即可滿足該條巷道的掘進及使用。

圖3 不同寬度窄煤柱影響下巷道煤柱幫側向支承壓力的分布特征

表1 2-1052 巷沿巷道掘進穩定后的表面位移量

表1 為模擬2-1052 巷留設不同寬度窄煤柱護巷進行沿空掘巷時后方所掘巷道穩定后的表面位移量的模擬結果。8m 寬窄煤柱護巷時的頂底板移近量較3m 寬時下降76.2%，兩幫移近量下降74.6%；6m 寬窄煤柱護巷時的頂底板移近量較3m、4m、5m 寬時分別下降70.8%、68.8%、14.4%；而7m、8m 寬窄煤柱護巷時的頂底板移近量較6m 時下降7.7%、12.7%。6m 寬窄煤柱護巷時巷道掘進穩定后的表面位移量已經控制在允許范圍內，煤柱寬度的增加雖可進一步控制其變形量，但是并無重大意義。故確定2-1052 巷沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為6m。

3.3 窄煤柱應用效果

現場應用6m 窄煤柱進行2-1052 巷的沿空掘巷作業，在距離掘進迎頭20m 處使用多點位移計布置深部圍巖位移監測站，監測60d 至圍巖穩定，數據整理結果如圖4 所示。

圖4 2-1052 巷沿空掘巷時的兩幫深部位移量

留設6m 窄煤柱進行2-1052 巷沿空掘巷后，煤柱幫的變形量大于實體煤幫的變形量，煤柱幫深基點的最大變形量雖達到100mm，但是其產生變形的區域為煤柱幫0～2m 及3～4m 范圍內，煤柱幫仍能保持完整，可以保證巷道的安全掘進及正常回采。

4 結論

以2-1052 巷留窄煤柱沿空掘巷試驗工程為背景，通過理論計算及數值模擬等方式確定了合理的 護巷窄煤柱寬度為6m。2-1052 巷留6m 窄煤柱沿空掘巷作業布置的圍巖深部位移監測站顯示，2-1052巷煤柱幫主要在0～2m 和3～4m 內發生最大124mm的變形，但煤柱的完整性并沒有遭到破壞，煤柱幫仍能保持完整，說明6m 的窄煤柱能夠保證2-1052巷的安全掘進及2-105 工作面的正常回采。