深部厚煤層沿空掘巷窄煤柱寬度的確定

杜廣立

摘要：沿空掘巷留設窄煤柱是深部沖擊地壓礦井常采用的一種煤柱留設技術。本文針對東部地區深部礦井，采用數值分析的方法，揭示了沿空掘巷窄煤柱寬度對煤柱應力場、位移場及巷道圍巖變形的影響。最終確定了合理的窄煤柱寬度為5m，并提出了巷道支護對策，以期為深部巷道圍巖控制提供一定指導。

關鍵詞：沿空掘巷;窄煤柱;巷道;寬度;應力

引言

沿空掘巷技術是在上區段工作面回采穩定以后，沿上區段采空區邊緣留窄煤柱掘進本區段工作面回采巷道。其被廣泛應用于深部礦區，不僅可以減少煤炭資源的浪費，還可以利用屈服煤柱，降低沖擊傾向性。

沿空掘巷的關鍵是確定合理的窄煤柱寬度。國內外對沿空掘巷窄煤柱的合理尺寸進行了大量研究。柏建彪[1]利用數值模擬得出煤柱寬度為3～5m時巷道變形量較小，Morsy[2]總結得出美國屈服煤柱寬度的經驗值為6.1～9.1m。本文針對大屯煤電公司孔莊煤礦7436工作面，采用數值分析的方法，確定窄煤柱的合理寬度。

1工程概況

孔莊煤礦7436工作面開采7#煤層，平均厚度4.5m，傾角16°，埋深800m，工作面沿空掘巷1280m。7#煤層直接頂以粉砂質泥巖（1.43m）和粉砂巖（2.63）為主;基本頂為中砂巖（6.96m）灰白色，厚層狀，中粒砂狀結構，較堅硬，成份以石英，長石為主;直接底以粉砂質泥巖（3.14m）為主，頂板弱沖擊傾向性，局部地區中等沖擊。7434工作面開采時側向支承應力峰值位于10～15m之間。

2數值計算分析

根據7#煤層的巖層參數，利用FLAC3D數值計算開挖模型。模型的尺寸：長×寬×高=600m×100m×98m，采高4.5m。采用應變軟化模型，巷道開挖尺寸5m×4m，選取屈服煤柱寬度為3、4、5、6、7、8m。模型邊界條件：上表面施加18MPa載荷，側面邊界施加水平位移約束，模型底面邊界施加垂向位移約束。

2.1煤柱寬度與應力場的關系

巷道沿空開挖后，經過應力平衡后提取不同寬度煤柱情況下的煤柱和實體煤的應力（如圖 1）。由圖可知：（1）不同煤柱寬度條件下，窄煤柱中部垂直應力峰值均小于原巖應力。煤柱寬度為3～8m時，煤柱垂直應力峰值基本位于煤柱中心，變化范圍為6.08～20.84Mpa，呈現明顯的單峰特征，表明煤柱在載荷作用下產生破壞，沒有形成穩定的承載區域，煤柱整體塑性破壞，承載能力低。（2）不同煤柱寬度條件下，對實體煤側垂直應力影響程度很小。實體煤側垂直應力峰值距離巷道7m，變化范圍為54.22～55.06MPa，煤柱寬度對其影響程度低，采空區的側向支承壓力主要由實體煤承擔。

因此，深部礦井沿空掘巷時，窄煤柱中部垂直應力峰值均小于原巖應力，煤柱整體塑性破壞。綜合考慮煤柱內應力場和實際施工情況，煤柱合理寬度應該不小于5m。

2.2煤柱寬度與位移場的關系

巷道沿空開挖后，提取不同寬度煤柱向采空區側和巷道側的水平位移的峰值（圖 2），研究煤柱寬度與位移場的關系。

由圖3可知：掘巷期間，煤柱向巷道內的位移普遍大于向采空區側位移。（1）向采空區側水平位移峰值隨著煤柱寬度的增加而不斷增大。具體分為兩個階段：煤柱寬度3～5m時，增速較快，為62.8mm/m;煤柱寬度5～8m時，增速明顯放緩，增量30.4mm/m。（2）向巷道側水平位移峰值隨著煤柱寬度的增加而不斷增大。增速分為兩個階段：煤柱寬度3～5m時，增速較快，為72mm/m;煤柱寬度5～8m時，增速明顯升高，為83.8mm/m。

當變形量超過400mm時，對巷道維護不利。根據煤柱寬度與位移場的關系特征，合理寬度為5～6m。

2.3煤柱寬度與巷道變形的關系

巷道沿空開挖后，提取不同寬度煤柱垂直于巷道斷面方向上煤柱、巷道及實體煤的頂板下沉（圖 3）、底鼓（圖 4）、實體煤幫移進量（圖 5），研究煤柱寬度與巷道變形的關系。

（1）頂板下沉。①煤柱和巷道頂板的下沉顯著高于實體煤，下沉量峰值位于巷道內，隨著煤柱寬度的增加，峰值位置趨向于煤柱端。②頂板下沉量隨著煤柱寬度的增加單調增加，呈現明顯的階段性特征。煤柱寬度3～6m時，頂板下沉隨著煤柱寬度的增大明顯增加（187.2～264.2mm）;煤柱寬度6～8m時，頂板下沉量基本不變（264.2～266.0mm）。

（2）巷道底鼓量。①巷道底鼓量顯著高于窄煤柱與實體煤，底鼓量峰值位于巷道內，隨著煤柱寬度的增加，峰值位置由靠近實體煤趨向于煤柱端。②底鼓量隨著煤柱寬度的增加基本保持不變（175.6～203.4mm）。

（3）實體煤幫移進量。提取不同寬度實體煤斷面（巷道高4m）向巷道側的移進量。①煤體煤幫位移量呈現中間高、兩邊低，幫底角高于肩窩的特征。②隨著煤柱寬度的增大，實體煤幫移進量基本保持不變（404～424mm）。

根據煤柱寬度與巷道變形的關系，不同窄煤柱寬度對頂板下沉的影響很大，對底鼓、實體煤的影響相對較小。從巷道變形角度分析，煤柱寬度合理寬度為5～6m。

2.4合理窄煤柱寬度的確定

綜合考慮數值模擬﹑礦井的實際經驗和最小煤炭損失原則確定沿空掘巷窄煤柱合理寬度為5m。（1）煤柱寬度不小于5m，仍有一定承載能力，可隔絕采空區。（2）當煤柱寬度為5～6m時，煤柱兩側位移大小及變形速率較為穩定。（3）當煤柱寬度為5～6m時，巷道變形較小，有利于圍巖穩定。

3 巷道支護對策

7436工作面埋深超過800m，經過分析，煤柱整體塑性破壞，處于峰后殘余強度。為防止窄煤柱發生突然失穩，誘發沖擊地壓，應做到：

（1）提高材料的強度與預緊力，加大錨桿長度與錨固長度，保證煤柱淺部圍巖的整體穩定性，控制窄煤柱巷道側邊緣穩定。

（2）局部地區基本頂為堅硬巖層，采取沿采空區邊緣切斷基本頂，使下方的沿空掘巷窄煤柱處于相對較好的環境內，利于窄煤柱穩定。

4 結論

（1）采用數值模擬方法研究了3～8m窄煤柱下煤柱的應力場、位移場及巷道變形特征，綜合確定合理的窄煤柱寬度為5m。

（2）深部礦井沿空掘巷時，窄煤柱中部垂直應力峰值均小于原巖應力，煤柱整體塑性破壞，承載能力低。基于此，提出了加固淺部圍巖、采空區邊緣切頂的支護策略，保證工作面安全回采。

參考文獻

[1]柏建彪，侯朝炯，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2004（20）：3475-3479.

[2]MORSY K.Design Consideration for Longwall Yield Pillar Stability[D].Morgantown，WV：West Virginia University，2003.