厚煤層孤島工作面沿空掘巷小煤柱寬度研究

馬 賽

（晉能控股煤業集團浙能麻家梁煤業有限公司，山西 朔州 036000）

麻家梁礦主采山西組4 號煤，煤層厚度1.35～12.93 m。以往工作面區段煤柱寬度為38 m，臨空巷道位于應力增高區，煤柱應力集中程度高，回采期間巷道礦壓顯現強烈，巷道發生劇烈變形，兩幫移近量超過1500 mm，底鼓量超過2000 mm，制約了礦井高產高效開采。因此，研究特厚煤層綜放工作面回采巷道區段煤柱的寬度，對控制臨空巷道圍巖變形，實現礦井安全、高效開采具有重要意義[1-2]。

小煤柱沿空掘巷技術能夠解決臨空巷道強礦壓難題，同時可以提高工作面資源回收率，延長礦井服務年限，實現可持續發展。目前，國內外對沿空掘巷小煤柱寬度確定的研究主要有：李磊、王紅勝等[3-4]基于弧形三角塊建立了沿空掘巷圍巖結構力學模型，推導得出合理的小煤柱寬度；柏建彪等[5-6]通過數值模擬方法確定了合理的窄煤柱寬度，認為合理的窄煤柱寬度為：軟煤4～5 m，中硬煤3～4 m。

1 工程概況

麻家梁礦14203-1 孤島工作面位于井田二采區的東部。工作面北部為二采區4 條盤區大巷，西部為14204 工作面采空區，南部為實體煤，東部為14202 工作面采空區。其中，14203-1 膠帶運輸巷為小煤柱沿空掘巷試驗巷道，工作面布置如圖1。

圖1 14203-1 工作面布置平面圖

工作面主采二疊系山西組4 號煤層，煤層平均埋深600 m，全煤厚度6.25～12.23 m，平均9.24 m，煤層結構復雜，含夾矸1～4 層，夾矸厚0.02～0.82 m，硬度f=1～2。直接頂為砂質泥巖，厚度為7.64 m；基本頂為中粒砂巖，厚度為7.26 m；直接底為高嶺質泥巖，厚度為1.37 m；基本底為細砂巖，厚度為5.51 m。

2 小煤柱合理寬度的確定

沿空巷道留設寬度的確定是以采空區側向支承壓力分布規律為基礎，合理的小煤柱留設寬度應將煤柱布置在采空區側向應力降低區。在側向應力降低區內距采空區xi處，煤體彈性模量為Exi；應力降低區邊緣處距采空區距離為x0煤體彈性模量為Ex0；側向支承壓力峰值位置處距采空區距離為x1，煤體彈性模量為Ex1，在原巖應力區，煤體彈性模量為E0。距采空區不同距離處煤體彈性模量存在以下關系：

距采空區越近，煤體彈性模量越小，即小煤柱寬度越小，其煤體強度越低，承載能力越弱。若小煤柱寬度過大，煤柱具有較好的承載能力，但在本工作面超前支承壓力和相鄰采空區側向支承壓力疊加作用下，高應力集中易引起沿空巷道變形失穩。因此，小煤柱寬度的確定既要保證巷道處于應力降低區內，又要使其具備一定的承載能力，在此基礎上，小煤柱寬度越小，煤柱應力集中程度越低，越有利于保持小煤柱和沿空巷道的穩定。

（1）小煤柱寬度上限確定

小煤柱寬度應保證沿空巷道和巷道周圍錨桿組合支護以及錨桿與圍巖組成的錨固體均在應力降低區內，因此，小煤柱寬度上限計算模型如圖2。

圖2 小煤柱寬度上限計算模型

煤柱寬度應滿足公式：

式中：a為小煤柱寬度，m；x0為側向支承壓力降低區最大寬度，m；b為沿空巷道寬度，m；c為幫錨桿長度，m。

（2）小煤柱寬度下限確定

小煤柱應具有穩定性，并能夠有效隔絕采空區，因此煤柱寬度不能過小。為保證煤柱的穩定性，除煤柱兩側的松破碎區外，還應在煤柱中部存在相對穩定區域。小煤柱寬度下限計算模型如圖3。

圖3 小煤柱寬度下限計算模型

煤柱寬度應滿足公式：

式中：d1為煤柱在采空區側松動區寬度，m；d2為煤柱安全系數，取0～0.5（d1+d3）；d3為煤體在沿空巷道側松動區寬度，m。其中，d1、d3可根據鉆孔窺視結果確定，對于厚煤層小煤柱兩側松動區寬度一般為1～2 m。d2應綜合小煤柱煤體完整性、采取的煤體加固措施、錨桿（索）錨固要求、相鄰工作面采空區側向支承壓力降低區范圍等因素選取。當d1+d3≤2 時，小煤柱煤體完整性較好，圍巖破碎范圍較小，d2取0.3～0.5（d1+d3），小煤柱應能滿足隔離采空區和錨桿錨固要求；當2＜d1+d3≤4時，小煤柱煤體完整性一般，但能夠維持自身穩定和達到隔離采空區的要求，為使錨桿（索）具有良好的錨桿性能，d2取0.2～0.3（d1+d3）；當4 ＜d1+d3，小煤柱煤體完整性較差，圍巖破碎范圍較大，應采取注漿加固、加強支護等措施提高煤柱的穩定性和錨桿（索）錨固力，為使沿空巷道處于相鄰工作面采空區側向支承壓力降低區范圍內，d2取0～0.2（d1+d3）。

（3）小煤柱寬度范圍確定

14203-1 膠帶運輸巷斷面為矩形，尺寸為5500 mm×3800 mm，x0為12.65 m，b為5.5 m，c為2.5 m，d1為1.3 m，d2為0.87 m，d3為1.6 m。

將上述參數代入式（3）和式（4）計算出小煤柱寬度取值范圍為3.77～4.65 m。

（4）小煤柱的塑性破壞區及應力分布特征

為全面、深入地掌握沿空掘巷不同寬度小煤柱的塑性破壞區分布特征及應力分布規律，進一步確定煤柱內沿空掘巷的合理位置。采用FLAC3D有限差分數值計算軟件對3 m、5 m、7 m 和9 m 煤柱寬度進行模擬。

通過對比不同煤柱寬度下圍巖塑性破壞區（圖4）可得：當煤柱寬度為3 m 和5 m 時，受14204工作面回采及巷道掘進對圍巖擾動的影響，煤柱內部塑性破壞區域已經相互貫通；當煤柱寬度為7 m時，可以看出煤柱仍處于塑性破壞狀態；當煤柱寬度為9 m 時，煤柱內部存在2 m 左右的彈性區域。說明煤柱寬度在超過某一臨界值之后煤柱內部塑性區的寬度會保持恒定，而彈性區寬度會隨著煤柱寬度的增加而遞增，顯然在此條件下塑性區寬度的臨界值為7 m。

圖4 不同煤柱寬度下的塑性區分布

通過對比不同煤柱寬度下垂直應力分布（圖5）可得，受14204 工作面采空區側向支承壓力作用，小煤柱產生應力集中，當煤柱寬度為3 m 時，煤柱中部1 m 范圍支承壓力較大，但應力值低于原巖應力，煤柱中應力值差距不大；隨著煤柱寬度進一步增大（5 m 和7 m），應力分布規律與煤柱寬度為3 m 時接近，所不同的是煤柱內部應力值差距逐漸明顯，高應力區域逐漸變大，所占比例也在逐步增大，但最大應力值仍低于原巖應力；當煤柱寬度為9 m 時，煤柱中部應力值已超過原巖應力。可以發現隨著煤柱寬度的增加，煤柱中部的應力集中程度將進一步升高，高應力區域也將逐漸增大。因此，小煤柱寬度應處在上述應力均衡范圍之內，使14203-1 膠帶運輸巷處在14204 工作面采空區側向支承壓力降低區內，即小煤柱的最大寬度為7 m。

圖5 不同煤柱寬度下的應力分布

依據不同寬度小煤柱的塑性破壞區分布特征及應力分布規律，小煤柱的臨界寬度為7 m，但該模擬條件下未考慮巷道錨桿錨固范圍內的應力，因此，小煤柱寬度選取4.5 m 更為合理。

由于小煤柱內有臨空調車硐室，均為外錯布置（入深6 m），留設5 m 煤柱時，14203-1 膠帶運輸巷掘進過程中將與其導通。作為礦井第一個孤島小煤柱沿空掘巷試驗工作面，綜合考慮巷道圍巖應力分布和安全等各方面因素，最終將小煤柱寬度擴大到7 m，此時巷道圍巖將部分處于應力增高區，設計巷道支護方案時需要提高巷道支護強度。

3 現場應用

14203-1 膠帶運輸巷采用“錨桿+W 鋼帶+錨索+JW 鋼帶+金屬網”聯合支護技術，在巷道圍巖內形成連續、穩定承載結構，支護斷面圖如圖6。

圖6 14203-1 膠帶運輸巷支護斷面圖（mm）

巷道圍巖變形量是衡量巷道礦壓顯現程度的重要指標。為及時掌握巷道圍巖控制效果，掘進期間重點對圍巖表面位移和頂板離層進行觀測，礦壓監測結果如圖7、圖8。

圖7 巷道表面位移監測曲線

圖8 巷道頂板離層監測曲線

監測結果表明：

14203-1 膠帶運輸巷從掘進到穩定，兩幫最大移近量為530 mm，頂底板最大移近量為351 mm，兩幫最大移近速率32 mm/d，頂底板最大移近速率54 mm/d，巷道開挖初期圍巖變形較快，之后逐漸減小，19 d 后巷道變形速率平緩；巷道頂板離層深基點離層值最大為72 mm，淺基點離層值最大為22 mm，淺基點—深基點之間離層值最大為50 mm，且離層量小，在可控范圍內。

4 結論

（1）通過理論計算和數值模擬分析了沿空巷道不同留設寬度條件下的煤柱塑性變形區和應力分布特征，同時結合現場臨空調車硐室尺寸，綜合考慮各方面影響因素，最終確定小煤柱的合理寬度為7 m。

（2）14203-1 工作面合理的小煤柱寬度及圍巖控制技術能夠滿足生產需求，保證了巷道圍巖安全，提高了工作面煤炭資源采出率，為礦井及朔南礦區后續孤島工作面的沿空巷道布置提供了理論依據。