淺埋煤層沿空掘巷窄煤柱合理尺寸確定*

張玉鵬,馬振虎,項 敏

(1.中煤西北能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017307；2.南梁礦業有限責任公司，陜西 榆林 719400)

0 引言

采用沿空掘巷對南梁煤礦提高煤炭回收率、降低巷道維護費用、減少礦壓對巷道的影響、提高礦井服務年限和經濟效益都有著非常重要的作用[1]。在國內基于以下理論認為沿空掘巷在理論上是可行的[2]，即由于沿空掘巷是沿已經穩定了的采空區邊線或與采空區之間留窄小煤柱布置巷道[3]，在該巷掘進時，相鄰采空區巖層活動相對已經終止，其回采期引起的應力重新分布也趨于穩定，此時沿空掘進的巷道位于應力降低區，為沿空掘巷提供了有利的條件[4-7]。

礦井煤炭損失主要包括煤柱損失、工作面初末采損失及回采工藝損失等，其中煤柱損失占相當大的比例。南梁煤礦綜采工作面傾向長度按240 m，走向2 000 m，煤層厚度為2.0 m，當留設15 m的煤柱時煤炭損失達7.8萬t，煤炭損失率為5.88%，造成了大量的煤炭資源浪費。因此，為了減少煤炭損失、提高經濟效益，采用沿空掘巷是非常有必要的，故選取適用于淺埋煤層理論建立數學模型，采用相關力學模型和模擬計算進行綜合分析，以確定最佳的窄煤柱合理尺寸[8-10]。

1 工程概況

根據計劃，30100工作面順槽掘進集中在2018年11月開工和2019年3月竣工，工作面回采時間預估為2019年7月至2020年1月。30100工作面作為南梁煤礦沿空掘巷試驗工作面，采用傳統沿空掘巷方式方案。30100輔運順槽地表相對位置位于井田東南部，工作面地表為紅草溝，西部為小則溝，東部為紅草灣溝，東南側為井田邊界。地面標高為+1 176～+1 273 m，工作面標高為+1 143～+1 160 m。30100輔運順槽井下位置位于礦井400 m皮帶巷東北側，北側為30102采空區，西南側為30001采空區，東側為30100工作面切眼(已掘好)，東南側為井田邊界，上部為2-2煤未開采，30100輔運順槽設計掘進長度為1 035 m。根據30102工作面實際揭露頂底板資料，30100工作面頂底板條件見表1。

表1 30100工作面煤層頂底板情況表Table 1 Roof and floor conditions of coal seam in No.30100 working face

2 窄煤柱合理尺寸

2.1 理論分析

南梁煤礦煤炭儲量相對較少，為了實現煤礦的可持續發展，減少煤柱損失提高煤炭回收率是南梁煤礦一項重要的任務。以南梁煤礦為例，若將15 m煤柱改為5 m煤柱，每采一個工作面可以減少10 m的煤柱損失，采24個工作面，即可省出長240 m的工作面。減少區段煤柱損失，相應增加了采區的服務年限，減少采區的搬遷次數，緩解采區接替緊張狀況，同時因為增大了采區的服務年限，為采區服務的巷道、硐室和設備在盤區內的服務年限就會延長，由此減少了固定資產的折舊費。南梁煤礦工作面巷道礦壓顯現不明顯，其主要原因是工作面巷道兩幫均為實體煤，周圍沒有采空區，沒有形成大的應力集中，且工作面埋深較淺，垂直應力較小。下區段工作面順槽的上幫為相鄰工作面的采空區，工作面形成的應力集中會影響到此工作面順槽的穩定性。因此，為了減少巷道維護次數，提高巷道的穩定性，實現安全生產，應首先對南梁煤礦窄煤柱寬度進行理論計算。

2.2 理論計算

根據沿空掘巷窄煤柱合理尺寸確定原則，窄煤柱寬度應該能夠滿足錨桿安裝要求，煤柱不可以過窄，過窄時導致錨桿錨固段錨固在上區段引起的破碎區范圍內，從而影響錨桿錨固效果，削弱了錨桿控制效果。根據極限平衡理論，窄煤柱合理寬度計算如圖1所示。

圖1 窄煤柱合理寬度計算示意Fig.1 Calculation of reasonable width of narrow coal pillar

保持煤柱穩定的合理窄煤柱寬度計算公式為

B=x1+x2+x3

(1)

式中，B為窄煤柱寬度，m；x1為采空區影響的塑性區寬度，m；x2為窄煤柱幫采用的錨桿有效長度，并且按照15%富裕系數增加寬度，m；x3為由于開采煤層為中厚煤層，為保持煤柱穩定，考慮到一定富裕系數，取x3=0.2(x1+x2)。

一些學者分析認為，上區段工作面回采后，實體煤上方基本頂破斷位置基本處于彈塑性交接處上方，再以破斷位置為軸，向采空區方向旋轉。因此，x1即為基本頂破斷位置距離采空區的距離X0。斷裂位置距上區段采空側煤壁的距離X0計算見式(2)

(2)

將式(2)帶入式(1)可以得到窄煤柱合理寬度計算公式

(3)

式中，m為煤層采厚，取2 m；A為側壓系數，A=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.2，則A=0.25；φ0為煤層界面內摩擦角，30°；C0為煤層界面的粘結力，4 MPa；K為應力集中系數，取1.5；γ為巖層平均容重，18 kN/m3；H為巷道埋深，100 m；PZ為錨桿支護對煤幫提供的支護阻力，0.25 MPa。

計算得出x0=2.53 m，錨桿的有效長度L′取1.3～1.8 m，代入以上公式，得出合理窄煤柱寬度B=4.83～5.55 m。

3 窄煤柱數值模擬及工程實踐分析

為了避免現場盲目試驗帶來的危險性，運用FLAC3D數值模擬軟件對窄煤柱留設進行模擬分析，分析在不同窄煤柱尺寸條件下的圍巖力學參數變化形態及圍巖運移規律，從而對比得出最優窄的煤柱尺寸。

3.1 模擬方案的建立

模擬模型的頂板基巖參考距離沿空巷道約330 m處的補3鉆孔柱狀圖和其相近鉆孔資料進行建模。考慮到南梁實際埋深情況以及本次研究的對象尺寸效應，在FLAC軟件中建立了長200 m，寬150 m，高70 m的庫倫準則本構模型來進行南梁煤礦30100工作面沿空掘巷的模擬開采，由于模型自重載荷與南梁煤礦3號煤埋深載荷不一致，因此在覆巖頂部施加均布等效載荷代替，邊界條件設置為允許垂直移動，模型底部與左右為非自由端。在只考慮煤柱寬度的影響下，結合南梁煤礦生產地質條件，運用FLAC3D建立計算模型，分析不同窄煤柱尺寸留設情況下圍巖的垂直應力分布規律，并根據理論計算分析結果，確定窄煤柱的留設范圍為4～7 m，分別進行模擬對比分析，如圖2所示。

圖2 不同尺寸窄煤柱垂直應力云圖Fig.2 Vertical stress nephogram of narrow coal pillar with different sizes

3.2 應力模擬結果分析

沿空掘巷巷道開掘之后，淺部圍巖由三向應力轉變為二向應力狀態，圍巖塑性區逐漸向深部發展，影響應力分布和圍巖位移規律，進而決定著巷道圍巖穩定與否。因此，控制巷道圍巖穩定需建立在對圍巖應力分布、位移規律和塑性區演化準確分析的基礎之上，為優化窄煤柱留設寬度提供可靠依據。

由圖2可知，采用不同寬度煤柱沿空掘巷圍巖垂直應力分布有顯著差異，巷道頂板垂直應力降低較大，巷道上方形成應力駝峰，且頂板錨固區域形成明顯的應力疊加拱；靠近實體煤方向存在應力集中區，煤柱內應力存在顯著差異，隨著煤柱寬度增大，煤柱內彈性穩定區增大，煤柱上方形成明顯的應力疊加，4 m寬煤柱的核區應力明顯高于其他寬度煤柱的應力，且6 m和7 m寬煤柱上方應力疊加效應較4 m和5 m寬煤柱顯著，其不利于煤柱的穩定。綜合以上數值分析、理論計算和最小煤炭損失原則，認為南梁煤礦沿空掘巷合理窄煤柱寬度為5 m時，在巷道掘進期間，煤柱內不僅存在彈性穩定區，而且巷道圍巖應力疊加效應和變形量也較小，因此南梁最佳窄煤柱寬度應取5 m。

3.3 工程實踐

南梁煤礦30100工作面按照5 m窄煤柱寬度掘進期間，巷道變形量在28 d內變形速率較大，圍巖受力狀態發生改變，圍巖在礦山壓力作用下產生形變；28～35 d內變形較小，35 d后不再發生明顯變化，開始趨于平緩，其值在允許的變形范圍內。根據實測數據，如圖3所示，錨桿(索)在28 d內受力顯著增大，最大分別為14.1 MPa和36.6 MPa；28～35 d內，錨桿(索)壓力增加量較小；35 d后錨桿(索)受力不再發生明顯變化，表明錨桿對頂板有效的支護。回采期間，各測點頂底板最大移近量平均為70 mm，兩幫最大移近量平均為700 mm，工作面機尾超前0～25 m為工作面超前礦壓顯現區域，主要表現為：工作面超前回采側巷道局部片幫，最大片幫深度為400 mm，片幫位置主要為巷道中下部。各測點錨桿(索)最大值平均為14.3 MPa和38 MPa，說明超前支護范圍內的巷道頂板受超前支承壓力影響明顯；35 m之后錨桿(索)受力趨于穩定，但超前支護范圍以外錨桿受力均大于其初錨力，說明錨桿對超前支護范圍內的頂板有較大支護作用。該窄煤柱不但保證其自身穩定，而且巷道圍巖變形量較小，有利于巷道穩定。

圖3 監測區錨桿(索)受力監測結果Fig.3 Monitoring results of bolt(cable)stress in monitoring area

4 結論

(1)通過采用理論計算和數值模擬等方法，分析了窄煤柱的應力分布特征以及窄煤柱寬度對圍巖穩定性的影響，確定了南梁煤礦窄煤柱合理寬度為4.83～5.55 m，考慮該煤層強度相對較大，確定窄煤柱寬度為5 m，該窄煤柱不但保證其自身穩定，而且巷道圍巖變形量較小，有利于巷道穩定。

(2)項目的成功實施，提高了資源回收率，達到了安全、高效、低耗、低成本、高效益生產的目的，僅30100輔運順槽可以增加產值511.29萬元，取得了顯著的經濟效益。更新了現場原來傳統的支護觀念，推廣了先進的淺埋中厚煤層沿空掘巷支護技術觀念。該研究成果在類似礦井推廣使用，可取得良好的社會效益。

(3)實際開采中對實體煤一側巷道幫部未進行支護，在施工過程中局部有片幫現象，在后續其他工作面回采過程中應對實體煤一側巷道幫部進行支護，防止片幫進一步發展。