萬通源煤礦401采區輔助巷道煤柱尺寸優化設計

曹興良，宋永起

(1.山西朔州平魯區茂華萬通源煤業有限公司，山西 朔州市 036000；2.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島市 266590)

目前我國部分煤礦仍存在依靠經驗來確定煤柱寬度的現象，由于缺乏科學性和針對性，往往造成煤炭資源的浪費，致使巷道在掘進和回采過程中難以維護，甚至出現冒頂等事故[1?3]。因而，煤柱護巷技術的關鍵問題是如何在兼顧資源回收率和巷道穩定性的前提下，合理確定煤柱寬度。保留煤柱的寬度與回采巷道支護、維護成本、安全生產以及煤炭資源回采率密切相關，煤柱寬度選擇的正確與否，對保證巷道穩定至關重要。

1 煤柱寬度確定方法

煤柱寬度的確定方法目前主要有經驗法、理論計算法、數值模擬法、現場實測4 種方法[4?5]。經驗法主要由現場技術人員根據生產經驗來確定煤柱寬度，缺乏科學性和針對性；理論計算法根據巖體的應力極限平衡理論推導出護巷煤柱保持穩定狀態時的寬度計算公式；數值模擬法是利用數值模擬軟件對不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形、受力進行計算分析，進而確定合適的煤柱寬度；現場實測是在煤柱中安設測試儀器，實測煤柱支承壓力分布、巷道圍巖變形，通過對監測數據進行比較分析來確定煤柱寬度。

為科學確定萬通源煤礦試驗面沿空掘巷的合理位置，采用理論研究和數值分析等方法，系統研究401 采區輔助回風巷和機軌合一巷煤柱沿空掘巷問題，使留設煤柱寬度合理化。

2 煤柱合理寬度理論計算

2.1 確定煤柱合理寬度的理論依據

靠近工作面頂板上方基本頂與高位巖層產生離層，且基本頂為傳遞巖梁，故內應力場只有基本頂、直接頂巖層控制；工作面前方的高位巖層、基本頂、直接頂未離層，故高位巖層的力直接作用于外應力場。工作面采用煤柱掘巷時，要保障沿空巷道位于內應力場低應力區。沿空工作面側向巖層結構示意如圖1 所示。

圖1 沿空工作面側向巖層結構示意

為了減少巷道圍巖移近量以使巷道保持穩定，降低區段煤柱損失，區段平巷的護巷煤柱寬度應盡可能小一些。但如果護巷煤柱過小，在高應力作用下，煤柱破裂可能使錨桿安設在破碎圍巖中，導致錨桿錨固力減弱，支護作用降低。由此可見，在保證巷道穩定性的同時提高煤炭資源的回采率，是確定煤柱合理尺寸的前提條件。

2.2 合理煤柱寬度理論計算

煤柱寬度理論計算主要有極限平衡計算法和載荷計算法。

2.2.1 極限平衡計算法

極限平衡法在發揮錨桿（索）等極限錨固作用的前提下，使煤柱尺寸盡可能小，以達到維護巷道穩定、提高采出率的目的。按照煤巷兩幫煤體應力分布規律和極限平衡理論[5?6]，依據圖2 的計算模型，參考礦井實測相關參數，計算合理的最小護巷煤柱寬度B：B=x1+x2+x3。

圖2 合理煤柱寬度計算

參考相關參數，計算401 采區輔助回風巷與40103 工作面運輸巷之間的煤柱合理寬度B：B=x1+x2+x3=12.54～14.72 m。

式中，x1為上區段工作面開采在煤柱中產生的塑性區寬度；m為煤層厚度，13 m；A為側壓系數，0.5；φ為煤體內摩擦角，30°；C0為煤體黏聚力，3 MPa；k為應力集中系數，3；H為巷道埋藏深度，267.75 m；ρ為巖層平均密度，2.5 t/m3；P0為上區段平巷支架對下幫支護阻力，相鄰已采面采空側P0＝0；x2為錨桿錨入煤柱的深度，2.0 m；x3為安全系數，x3=(0.15～0.35)(x1+x2)=1.64～3.82 m。

根據以上討論及計算，沿空掘巷的合理煤柱尺寸為12.54～14.72 m。出于安全考慮，取煤柱尺寸不小于15 m。

2.2.2 載荷估算法

載荷估算法認為煤柱承受的載荷來源于兩部分：一是煤柱寬度對應的上覆巖層的重量；二是一側或兩側采空區沿傾斜長度方向對應的上覆巖層重量[7?9]，其計算模型如圖3 所示。

圖3 煤柱載荷計算模型

401 采區輔助回風巷與40103 工作面運輸巷之間的煤柱受到上覆巖層作用的總載荷為：

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區寬度，200 m；H為巷道埋藏深度，267.75 m；ψ為巖層自然垮落角，30°；ρ為巖層平均密度，2.5 t/m3。

單位寬度上平均應力為：

煤柱極限強度的計算公式為：

式中，h為煤柱高度，m；Rc為煤體單軸抗壓強度，30 MPa。

則煤柱穩定條件是：σy≤R。

綜合可得，煤柱合理寬度B≥16.8 m。基于安全考慮，取煤柱尺寸不小于17 m。

3 巷道圍巖穩定性的數值模擬分析

沿空掘巷的煤柱寬度影響巷道圍巖應力狀態及圍巖位移分布。圍巖和巷道支護結構的相互作用相當復雜，因此，巷道結構的動靜力學計算是比較復雜的。尤其對于非線性巖體內的連續或不連續介質和任意幾何外形的巷道結構，其力學計算一般借助近似的數值方法。

3.1 煤柱沿空掘巷模型設計及其計算分析

根據巷道邊界條件、煤層頂、底板情況及傾角，確定實體煤巷道的計算模型，據此分析實體煤－煤柱巷道在受到上下2 個區段工作面回采影響時巷道圍巖變形與破壞規律。

模型的幾何尺寸x×y×z=500 m×500 m×60 m在上區段采空區附近留設一定寬度煤柱后掘進巷道，巷道左界為留設煤柱，煤柱左邊為上區段工作面，巷道右側為實體煤及本區段工作面。不同寬度煤柱下巷道圍巖變形與破壞數值模擬型在前、后、左、右及下部均為固定邊界，沒有水平位移，即Sx=Sy=0。在模型上部施加垂直應力，應力大小為：P=（埋深?模型的高度）×平均容重=（267?60）×2.5/100=5.175 MPa。

根據煤層條件及現場實際應用的可行性，本次計算在其他條件不變的情況下計算分析不同寬度煤柱的破壞狀況，共設計了3 個計算模型。對于煤體?小煤柱巷道，分別模擬寬度為10 m、15 m、20 m時巷道圍巖及煤柱的破壞情況。

首先開采上區段工作面，然后根據煤柱的大小確定沿空巷道開挖的位置，為了使計算符合實際條件，在開挖巷道周圍加密網格的劃分，之后開采下區段工作面。由此模擬沿空巷道圍巖變形與破壞規律，并確定合理煤柱尺寸，建立模型如圖4 所示。

圖4 數值模擬模型

3.2 數值模擬結果分析

3.2.1 沿空掘巷巷道圍巖主應力分布與煤柱寬度的關系

如圖5 所示，當401 輔助回風巷與40103 采空區之間煤柱寬度為10 m 時，巷道右側頂、底板受力最大，受工作面回采的影響，在離采空區5 m 時，開始出現應力集中，應力分布區域明顯，大小主應力相差較大，此時巷道會受到嚴重破壞，支護困難。

圖5 不同煤柱尺寸圍巖應力分布

當煤柱寬度為15 m 時，應力分布情況與煤柱寬度10 m 時接近，所不同的是巷道所處的高應力范圍變小且處在應力集中區域的邊緣，隨著煤柱寬度進一步加大，巷道會慢慢遠離高應力區。

當煤柱寬度為20 m 時，巷道離開高應力區，處在應力降低區域，此時巷道頂、底板受力明顯變小，巷道變形量小，巷道支護相對容易且維護簡單。

3.2.2 沿空掘巷巷道圍巖側向塑性區擴展與煤柱寬度的關系

煤柱寬度不同，其圍巖塑性區擴展也有所不同，如圖6 所示，當煤柱寬度為10 m 時，2 條巷道圍巖均出現不同程度破壞，尤其以巷道頂板及煤柱破壞為主，401 輔助回風巷完全處于塑性破壞狀態，機軌合一巷約有70%左右處于塑性破壞狀態，煤柱側頂角尤為嚴重，而煤柱幾乎完全處于塑性或塑性破壞狀態，主要因為老頂在巷道上方向采空區回轉，以及由于工作面回采造成煤柱上應力集中。巷道底板及實體煤幫相對破壞程度較輕，只是處于塑性流變狀態，而巷道表面四周圍巖基本破壞。

圖6 不同煤柱尺寸塑性區破壞情況

當煤柱寬度為15 m 時，機軌合一巷脫離塑性區，但是401 輔助回風巷底板和左右幫還處在塑性破壞區域。

隨著煤柱寬度進一步加大，巷道表面及圍巖在頂、底及實體煤側均無破壞，處于塑性流變狀態，只有煤柱側幫煤有略微破壞，圍巖整體完整程度很高。當煤柱寬度為20 m 時，巷道底板圍巖破壞程度減輕，401 輔助回風巷左幫還處在塑性破壞區域，對整體影響較小。

4 合理煤柱寬度確定

工作面回采過程中，兩側煤體上支承壓力分布狀態是不斷發展變化的，因此巷道開掘的位置決定了巷道受頂板活動和支承壓力影響的程度和過程，正確選擇巷道開掘位置是保證巷道穩定性、改善巷道維護條件的根本措施，也是巷道礦壓控制設計的首要任務。通常是在實測研究上覆巖層運動及其支承壓力分布規律的基礎上，確定低應力區的范圍和穩定時間，最大限度地減輕集中應力的影響。

導致煤體處于彈塑性兩種應力狀態和巖層運動的發展規律不同，不同的支承壓力分布，對應沿空巷道開掘的合理位置和時間也是有區別的。

4.1 煤柱留設的原則

煤柱是沿空掘巷圍巖結構的一個重要組成部分，其穩定性除了同構造應力、水平應力、回采影響及合理的支護參數有關外，更多的與煤柱寬度密切相關。根據有關專家、學者的相關研究[7-9]，得到沿空掘巷留設煤柱的寬度應滿足以下幾個原則。

（1）巷道處于應力降低區。采空區側向支承壓力分為應力降低區、應力升高區和原巖應力區，當巷道位于應力降低區時，煤柱的穩定性均較好。

（2）利于巷道圍巖穩定。煤柱過窄，不但煤柱破碎，頂煤及實體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差、承載能力小。煤柱寬度應有一個合理值。

（3）煤柱內部應有穩定的區域。受上區段工作面側向支承壓力作用和巷道掘進影響，煤柱兩側出現破碎區。如煤柱全處于破碎區中，則其承載能力和穩定性較低，巷道維護困難。

（4）采出率高。煤柱越小，采出率越大，在滿足穩定的前提下，盡可能減小煤柱寬度。

4.2 合理煤柱寬度的確定

綜合極限平衡計算法和載荷估算法確定合理的煤柱寬度。根據煤柱確定的原則，從煤柱的穩定性、采出率等方面考慮，經過理論計算，確定401 采區輔助回風巷與40103 工作面運輸巷間的煤柱合理寬度分別不小于15 m 和17 m，為安全起見，取煤柱尺寸不小于17 m。

自輔助回風巷往北偏移20 m，布置40103 工作面運輸順槽，留設20 m 煤柱（大于合理煤柱尺寸17 m）。

5 結論

針對401 采區輔助回風巷與機軌合一巷的煤層賦存特點和開采技術條件，通過理論分析及數值模擬方法，確定了401 采區輔助回風巷與40103 工作面運輸巷之間的合理煤柱寬度為20 m。