同忻煤礦三盤區回風大巷保護煤柱寬度設計分析

劉 林

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

巷道是煤礦井下采煤的基礎組成，而巷道掘進、支護所耗費的時間和費用都普遍占到全礦生產成本總費用的30%以上，而且采掘接替問題也是目前制約礦井年產量的主要因素之一。為保證煤炭回收率，現代化礦井設計巷道時必須盡量減小與采煤工作面的距離，但采煤動壓影響與距離呈反比關系，因此這就需要在設計時尋找兩者之間的一個平衡點。

1 工程概況

同忻煤礦隸屬于山西同煤集團，是一座年產量超過1000萬t的國有特大型礦井，現有職工1103人，井田面積84.52km2，可采儲量為8.47億t。同忻煤礦于2007年建成投產，2010年達產，現為同煤集團主力礦井。該礦井8310工作面布置在三盤區輔運大巷東北側，采用單一走向長壁式開采，工作面停采線與三盤區回風大巷之間需留設保護煤柱，為避免巷道受動壓影響破壞，因此需要設計保護煤柱的合理寬度（見下圖1）。本項目采用“理論計算+數值模擬”并參照其他煤礦經驗來確定最終煤柱寬度。

2 保護煤柱最小寬度理論計算分析

三盤區回風大巷沿煤層底板掘進，凈斷面：5.2（凈寬）×3.7（凈高）=19.24m2。本煤層平均厚度14.13m，傾角0～4°，為近水平煤層，煤層埋深約350m。老頂厚度12.71m，巖性為含礫粗砂巖、細砂巖；老底厚5.18m，為細砂巖，整體結構較完整，便于大巷掘進。

2.1 單位寬度保護煤柱強度估算

保護煤柱強度與諸多因素有關，包括煤柱尺寸、煤層強度、地質條件等等，在此采用英國Obert學者改進后的經驗公式估算單位寬度煤柱支承強度σ（見圖1）[1]，根據該公式并參考其他煤礦經驗，在此計算40～90m寬保護煤柱其單位寬度支承強度（每增加10m為一檔），數據見表1。

圖1 本項目布置平面簡圖

式中：σc為保護煤柱試件單軸抗壓極限強度，13.2MPa；a為保護煤柱寬度，m；M為保護煤柱高度，14m。

表1 不同寬度保護煤柱單位寬度支承強度

2.2 保護煤柱總載荷計算

三盤區回風大巷保護煤柱載荷P由兩部分組成：巷道開挖后其上部巖層載荷P1及采煤工作面頂板垮落產生的側向支承壓力P2，其中P1的計算公式見（2）[2]所示。

式中：b為巷道寬度，5.2m；γ為煤層上覆巖層平均容重，0.025MN/m3；H為 煤層埋深，350m。

采煤工作面頂板垮落產生的側向支承壓力P2，該值與煤柱的支承壓力大小有正比例關系，而煤柱的支承壓力又由其單軸抗壓極限強度σc決定，因此相關學者通過總結大量經驗得出P2計算公式，見（2-3）[3]。

式中：k為 應力集中系數，σc＞25MPa，k取3；σc≤25MPa，k取2.5。

2.3 單位寬度保護煤柱平均應力計算

保護煤柱單位寬度平均應力S等于保護煤柱總載荷P（P=P1+P2）與保護寬度的比值，具體計算公式見（4）[4]，而不同保護煤柱寬度的單位寬度平均應力計算成果見表2。

表2 不同寬度保護煤柱單位寬度平均應力

通過對比表1、表2的數據可知：①隨著保護煤柱寬度逐漸加大，單位寬度的強度在增加，而平均應力在減小，煤柱寬度越大，對巷道保護越有利；②當煤柱寬度不小于70m時，單位寬度煤柱的支承強度便大于平均應力，說明是合理的[5]。因此通過理論計算最終確定同忻煤礦三盤區回風大巷保護煤柱寬度設計為80m。

3 保護煤柱最小寬度數值模擬分析

為保證結果準確性，本項目再利用FLAC3D軟件對不同煤柱寬度條件下巷道應力變化情況進行模擬，也可以在大體上展現出總體趨勢[6]，為工程施工提供技術參考。

3.1 模型的建立

本次模擬模型的參數如下：煤層傾角為0°，工作面長度350m，寬120m，巷道高3.7m，寬5.2m，x軸表示煤層走向，y軸表示煤層傾向，z軸表示煤層埋深（見下圖2所示）。為方便計算，模型上部采用均勻載荷形式，平均密度ρ=2000kg/m3，部分巖石參數由試驗室測得，具體數據見下表3所示。

表3 部分巖石物理力學參數

圖2 模擬模型示意圖

3.2 模擬結果分析

結合理論計算和其他煤礦經驗，本次模擬的煤柱寬度共有三個方案：60m，70m，80m，巷道為“錨桿+錨網”支護。

1）保護煤柱寬度為60m。由圖3可知：當保護煤柱設計寬度為60m時，工作面推進至結束位置，應力集中區為工作面盡頭煤壁、頂板、底板位置，且越靠近煤層其應力值越大；而巷道圍巖應力也遠大于原巖應力，靠近工作面一側巷道出現位移；中間煤柱變形嚴重，超過10m寬度均為應力集中區，受采動影響，煤柱承載應力由18.5MPa飆升至31.6MPa，煤柱有被壓垮的危險。

圖3 保護煤柱寬度為60m時巷道圍巖應力分布云圖

2）保護煤柱寬度為70m。由圖4可知：當保護煤柱設計寬度為70m時，工作面推進至結束位置，應力集中區為工作面盡頭煤壁、頂板、底板位置，且越靠近煤層其應力值越大，但相對于60m煤柱時應力小15%左右；巷道圍巖應力主要集中在頂底板，靠近工作面一側巷道出現少許位移；煤柱應力集中區在煤柱中部位置，但強度比60m煤柱小且分散，約為27.6MPa，在巷道支護作用下雖然產生部分位移，但煤柱無壓垮危險。

圖4 保護煤柱寬度為70m時巷道圍巖應力分布云圖

3）保護煤柱寬度為80m。由圖5可知：當保護煤柱設計寬度為80m時，工作面推進至結束位置，應力集中區為工作面盡頭煤壁、頂板、底板位置，且越靠近煤層其應力值越大，但相對于70m煤柱時，應力降低約25%左右；巷道圍巖應力主要集中在頂底板，但強度較小，靠近工作面一側巷道出現少許位移；煤柱應力集中區在煤柱中部位置，但強度比60m、70m煤柱明顯減小，而且巷道另外一側煤體也承受了一部分應力，平均為21.2MPa，加上巷道支護作用，巷道變形不明顯，滿足回風要求。

圖5 保護煤柱寬度為80m時巷道圍巖應力分布云圖

經過模擬分析，當三盤區回風大巷保護煤柱設計為80m時，巷道所受到的應力值遠小于煤柱的極限應力，完全可以承受采動影響，因此該設計值是較為合理的。

4 結 語

巷道是井下煤炭開采的重要基礎，在設計巷道時必須要考慮巷道壽命問題，若一旦出現損毀，對煤礦正常生產影響很大，而且需要耗費大量人力物力財力進行維修。本文采用理論計算和數值模擬，均得出了同忻煤礦三盤區回風大巷80m寬保護煤柱是合理的，而且通過試采，也確認了巷道沒有受到采動影響而損壞，從而保證了井下開采的順利進行。