高瓦斯綜放面迎采巷道護巷煤柱合理尺寸研究

郭子程

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

0 引言

由于采掘銜接緊張，高河礦在W4301工作面回采期間提前相向開掘鄰近接續W4302工作面的回采巷道，但迎采巷道圍巖穩定性將受到采掘應力的耦合影響，不僅巷道變形量大、支護困難問題突出，為此需要研究合理護巷煤柱寬度，以實現控制迎采巷道圍巖穩定性、實現2個工作面安全生產的目的。

1 工作面基本情況

山西高河能源有限公司為設計產能7.5 Mt/a的高瓦斯生產礦井，主采3號煤層，屬高瓦斯低透氣性煤層。為保證鄰近工作面順利接續，設計在W4301工作面回采期間應用邊采邊掘工藝布置W4302工作面的回風順槽。W4302回風順槽位于礦井西四盤區，北面臨W4301工作面，東面接+450 m水平南翼大巷，西面為礦界，南面為W4302工作面未采區，埋藏深度約480 m，3號煤底板距9號煤底板平均距離約65.4 m。

W4301工作面采用“Y+L”型通風方式，按照兩進一回+高抽巷布置，膠帶順槽與進風順槽進風，回風順槽回風；W4302工作面設計采用“W”型通風方式，仍按照兩進一回+高抽巷布置，其中W4302進風順槽為通過沿空留巷方式保留下來的原W4301進風順槽，W4302膠帶順槽為原W4301回風順槽，W4302回風順槽即準備開掘的迎采巷道，迎采巷道位置平面示意圖見圖1。

圖1 迎采巷道位置平面示意圖

W4301工作面與W4302回風順槽均沿3號煤層底板布置，根據W4301進風順槽掘進期間瓦斯涌出情況預測，W4302回風順槽掘進期間單循環落煤最大瓦斯涌出量為1.0 m3/min，煤壁每百米瓦斯涌出量為0.2 m3/min。

W4301工作面長度為320 m，埋深范圍為380.602～442.005 m，膠帶、進風、回風順槽長度分別為1 696、1 586、2 454 m，進風順槽同高抽巷之間留設35 m煤柱，高抽巷長度為1 552 m。工作面采用綜放開采工藝，煤層均厚6.08 m，采高3.5 m，放煤高度2.58 m，采放比1∶0.74，放煤步距為一采一放。

2 護巷煤柱合理尺寸理論分析

影響護巷煤柱穩定性的主要因素為煤柱所承受的載荷以及煤柱強度。在煤礦特殊地質條件與生產環境下，對煤柱載荷和強度產生影響的因素如煤層埋深、煤層厚度、地質構造與煤體內弱面、煤柱與頂底板接觸系數、頂底板覆巖巖性等均為客觀不可選變量，因此僅可通過選擇護巷煤柱的寬度來提高煤柱承載性與穩定性。此外，可將護巷煤柱視為一個大的巖石試件，若要保證其穩定性則需要所受載荷低于煤柱自身強度值，并留有一定的富余量。因此，將從上述2方面研究護巷煤柱穩定條件，并在此基礎上優化護巷煤柱的合理尺寸。

2.1 煤柱的彈塑性變形區與支承應力分布計算

兩側工作面回采結束后，護巷煤柱兩側圍巖分別有破碎和塑性區域，寬度分別記為x0、x1，見圖2。

圖2 護巷煤柱支承應力分布情況示意圖

假設令x0+x1=x，大量開采實踐表明，護巷煤柱處于穩定狀態的條件為其內部具有不小于煤柱高度2倍的彈性核區，即

式中：x3為彈性核區寬度，m；B為護巷煤柱寬度，m；M為煤柱高度，取6.08 m。

由公式1計算確定W4302回風順槽護巷煤柱內彈性核區寬度不應小于12.16 m。

2.2 護巷煤柱的合理留設寬度的理論計算

圖3所示為護巷煤柱合理尺寸計算示意圖。

圖3 護巷煤柱合理尺寸計算示意圖

如圖3所示，在W4302回風順槽掘進期間，其兩側分別為采空區、實體煤，而在W4302工作面回采時還會受二次采動影響。護巷煤柱的寬度應有利于迎采巷道圍巖穩定性控制，因此為避免出現圍巖變形嚴重、頂板冒落、底鼓以及片幫等災害的發生。護巷煤柱的合理留設寬度的理論計算公式為：

式中：x1為W4301工作面開采產生塑性區的寬度，m；x2為W4302工作面采掘影響產生塑性區的寬度，m。

以下幾個方面的假設為基礎：①將煤體視為連續、均勻且各向同質的彈性體；②不考慮煤柱屈服前所發生的位移和變形；③煤柱只受覆巖的自重應力和采動的影響，不受構造應力的影響；④煤柱所受上覆載荷呈對稱分布；⑤當煤柱因剪切力出現變形破壞時，其剪切破壞面與煤層相平行；⑥當煤柱局部發生屈服時，將發生屈服的區域作為彈性極限考慮。

2.2.1 W4301工作面開采產生塑性區的寬度

根據巖石力學極限平衡相關理論，煤柱塑性區寬度，即支承壓力峰值至煤體邊緣距離x1為：

式中：K為應力集中系數，取4；Q1為對煤幫支護阻力，取480 k P a；C為煤粘聚力，取2.02 MPa；φ為煤內摩擦角，取20°；f為煤同頂底板圍巖接觸的摩擦因數，取0.3；ξ為三軸應力系數，ξ=γ為上覆巖層容重平均值，取25 kN/m3；H為上覆巖層的高度，取412.51 m。

將參數代入公式4中，計算得到x1為6.51 m。

2.2.2 W4302工作面采掘影響產生塑性區的寬度

通常采用圓形巷道受力模型來對圍巖塑性區變形情況進行研究，可將圍巖受力分析作為彈塑性力學中的平面應變圓孔進行研究，其所受應力主要為水平應力，由此建立的圓形巷道受力模型見圖4。

圖4 圓形巷道受力模型

圖4 中，a表示巷道半徑；r，θ表示塑性區邊界任一點極坐標；P表示原巖應力。圓形巷道塑性區半徑x2的計算公式為：

式中：P為原巖應力，取12.9 MPa；Pi為支護阻力，取480 k P a；a為圓形巷道半徑，取2.6 m；φ為圍巖內摩擦角，取20°;C為圍巖粘聚力，取2.02 MPa。

將各參數代入公式4中，計算得到x2為5.1 m。前述計算結果表明W4301工作面開采后護巷煤柱鄰近側塑性區范圍為6.51 m，大于巷道開挖圍巖塑性區范圍5.1 m，考慮回風順槽布置完成后，W4302工作面的開采護巷塑性區發育范圍將進一步擴展，因此x3同樣取值6.51 m。由于前述理論計算沒有考慮工作面回采動壓影響，而實際塑性區寬度應比理論計算結果大，取采動影響系數D為1.5，則合理煤柱寬度計算公式為：

計算出護巷煤柱合理寬度不應小于31.7 m，取35 m。

3 迎采巷道礦壓監測分析

3.1 礦壓監測測點布置

W4302回風順槽布置于3號煤層內，巷道長1 435 m。斷面掘寬5 300 mm，掘高3 900 mm，掘斷面20.67 m2；凈寬5 200 mm，凈高3 700 mm，掘斷面19.24 m2。如圖5所示，在W4302回風順槽左右兩幫共布置8個監測點，順槽頂底板同樣布置8個監測點頂底板對稱布置。

圖5 巷道圍巖監測點分布圖

如圖5所示，1、3、5、7號監測點布置順槽左幫，距底板2 m；2、4、6、8號監測點布置在順槽右幫，距底板2 m；9、11、13、15號監測點布置在頂板中軸線處；10、12、14、16號監測點布置在底板中軸線處。

3.2 礦壓監測結果分析

根據巷道周圍測點的布置位置，每天監測巷道兩側和頂底板表面的圍巖變形量，記錄數據并導入至O rigin軟件進行處理，確定圍巖表面變化趨勢以及支護效果。圖6所示為迎采巷道兩幫測點位移曲線與變形速率。

圖6 迎采巷道兩幫測點位移曲線與變形速率

由圖6可知，可看出在迎采巷道初始開掘10 d內，兩幫變形速率最大，達到2.25 mm/d，10 d后變形速率呈現波動性減小的變化趨勢，但兩幫整體移近量不斷增大，直至開挖60 d后，兩幫移近量趨于穩定，變形速率趨近于0，兩幫累計移近量大致為90 mm左右。迎采巷道頂底板監測結果如圖7所示：

圖7 迎采巷道頂底板測點位移曲線與變形速率

由圖7可知，迎采巷道頂底板變形時間與兩幫基本一致，即迎采巷道開掘后的60 d為圍巖位移不斷增加，在60 d位移量基本保持恒定，頂底板最終位移量大致為40 mm左右，小于兩幫移近量，但迎采巷道開掘40 d內，頂底板移近量均保持不斷變化趨勢，40 d后頂底板移近量不斷減小。

綜上所述，現場觀測表明迎采巷道兩幫及頂底板圍巖完整程度較高，圍巖表面沒有出現明顯的裂隙裂縫，表明護巷煤柱寬度取35 m較為科學合理，可以滿足巷道圍巖控制和正常使用要求。

4 結語

本文在分析迎采巷道護巷煤柱穩定性主要影響因素的基礎上，利用理論研究的方法對護巷煤柱合理寬度進行計算，得出護巷煤柱合理寬度不應小于31.7 m，設計W4302回風順槽護巷煤柱寬度取值為35 m。利用現場礦壓監測的手段，在回風順槽左右兩幫共布置8個監測點，順槽頂底板同樣布置8個監測點頂底板對稱布置。現場監測結果表明，巷道圍巖變形在開挖60 d后可以基本趨于穩定，兩幫累計移近量大致為90 mm左右，頂底板最終位移量大致為40 mm左右，迎采巷道圍巖完整程度較高，表面沒有出現明顯的裂隙裂縫，因此護巷煤柱寬度取值較為科學合理，可以滿足巷道圍巖控制和正常使用要求。