孤島工作面回采巷道合理煤柱寬度探究及應用

武宗剛

(河南能源焦煤公司趙固二礦， 河南 新鄉市 453600)

0 引言

在煤礦開采過程中，由于工作面開采接替的需要，我國各大礦區有了孤島工作面開采的先例[1]。將工作面周圍均為采空區或工作面區段回采巷道兩側均為采空區的工作面稱為孤島工作面，孤島工作面由于煤層內形成應力集中區，沿采空區側垂直應力明顯增大，巷道支護難度顯著增加，工作面回采時常出現礦壓顯現劇烈、巷道圍巖變形大、巷道圍巖難以維護等特點[2-3]。為了解決孤島工作面回采巷道煤柱留設不合理、圍巖支護困難、支護成本高等問題，國內外的科研工作人員做了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果[4-6]。

沈玉旭等[7]針對特厚煤層回采巷道變形嚴重、煤柱尺寸過大、煤炭資源損失嚴重等難題，采用理論計算和數值模擬相結合的研究方法，確定了回風巷道合理的煤柱寬度。張杰等[8]針對淺埋煤層孤島工作面區段煤柱寬度優化問題，利用兩區約束理論、極限平衡理論計算得出區段煤柱的合理寬度，數值計算結果表明，煤柱寬度小于理論計算值時，巷道變形量大，圍巖彈性區變小，塑性區增大。余波等[9]采用極限強度理論計算長壁工作面回采巷道煤柱的合理寬度，采用FLAC3D數值模擬軟件對不同煤柱寬度進行塑性區范圍進行分析，得出煤柱的塑性區范圍隨煤柱寬度的增加而減小，二次采動影響大于一次采動影響。楊小軍等[10]采用數值模擬和現場監測對高瓦斯孤島工作面的煤柱寬度進行研究，巷道采空區側煤柱內的垂直應力沿巷道寬度呈拋物線形分布，最大垂直應力位于巷道寬度的1/2，且巷道中部煤柱的受力和變形量都顯著大于巷道上下2個部位。李承軍等[11]采用極限平衡理論計算，結合數值模擬分析對沖擊地壓條件下特厚煤層煤柱寬度進行優化，優化后的煤柱寬度不僅提高了回采巷道的穩定性，還兼顧了資源回采率，同時降低了沖擊地壓災害發生的幾率。趙寧[12]以孤島工作面回采巷道沿空掘巷工程為背景，通過理論計算和UDEC數值模擬相結合，確定沿空留巷護巷煤柱合理留設寬度，在實際工程應用中取得了良好的 效果。

孤島工作面回采巷道與一般工作面回采巷道相比，巷道掘進成型難、易出現頂板離層及下沉事故、支護困難等特點，嚴重影響了回采工作面安全和高效生產。因此，研究孤島工作面合理煤柱寬度具有重要現實意義。本文以河南能源焦煤公司趙固二礦二盤區工作面回采巷道為工程背景，對孤島工作面回采巷道煤柱寬度進行理論計算和數值模擬分析，確定合理的煤柱留設寬度，為孤島工作面的安全回采提供保障。

1 工程概況

二盤區里側煤柱工作面順槽地面位于南鄰西木莊村，東北側為回采結束的12032工作面，西北側為二盤區回風上山，西南側為回采結束的11072工作面。上順槽為回風巷，兼作工作面輔助運輸巷道。巷道為矩形，長769.1 m，寬4.8 m，高3.5 m，地面標高+71.8～+76.7m，工作面標高-557.6～-576.2 m。

煤層整體走向166°～184°，傾向256°～274°，煤層傾角3°～5°，煤層整體較平緩，煤層厚度為5.8～6.5 m，煤層埋深為629.4～652.9 m。煤層結構簡單，煤體結構以原生結構為主，層位穩定，屬穩定煤層。偽頂為黑色泥巖，局部炭砂質，水平層理，植物化石較多，厚度為0～0.4 m。直接頂為砂質泥巖和細粒砂，以泥巖為主，含少量砂質泥巖，屬完整性較好的巖石，厚度為8.03～17.5 m。老頂為砂巖，巖性特征為中粒砂巖，灰色，成分以石英為主，長石及暗色礦物次之，層面富集大量白云母片，分選中等，顯斜層理硅泥質膠結，石英顆粒從上到下由細變粗，厚度為4.1～5.35 m。直接底為砂質泥巖、泥巖，巖性特征為砂質泥巖，深灰色，上部產植物化石，下部含白云母碎片和菱鐵質，具水平層理，厚度為4.1～5.35 m。

2 煤柱寬度理論計算

2.1 承載煤柱寬度計算

護巷煤柱上的載荷，是由煤柱上覆巖層重量及煤柱一側或兩側采空區懸露巖層轉移到煤柱上的部分重量所引起的。根據采區布置情況，考慮一側采空的情況，煤柱塑性區的寬度B可通過式（1）確定：

式中，h為回采巷道高度，15 m和3.5 m；λ為側壓系數，取0.5和0.4；φ為煤體交界面內摩擦角，取22°和30°；C為煤體交界面黏聚力，取0.18 MPa和0.76 MPa；k為支承壓力峰值處的應力集中系數，取3；H為巷道埋深，按640 m計算；γ為煤體平均體積力，0.025 MPa；Px為巷道煤幫支護強度，取0.1、0.6 MPa。

根據應力極限平衡原理，計算得到采空區側和煤柱側煤柱塑性區寬度分別為B0=40.1 m、B1=3.5 m。合理煤柱寬度應大于兩塑性區之和，即大于43.6 m。由于煤柱中存在一定寬度的彈性核，由礦壓理論可知，彈性核寬度通常取煤柱高度的兩倍，即7.0 m。

綜上所述，合理煤柱寬度應為塑性區與彈性區寬度之和，為50.6 m。由此可知，合理留設承載煤柱寬度應大于50.6 m。

2.2 屈服煤柱寬度計算

屈服煤柱寬度為煤柱屈服區寬度與塑性區寬之和。考慮生產擾動對煤體屈服區寬度的影響，在公式中引入開采擾動系數，故煤體屈服區寬度W的通用公式（2）如下：

式中，d為開采擾動系數，1.6；M為區段平巷高度，3.5 m；β為屈服區與核區界面處的側壓系數，取0.42；φ0為煤體內摩擦角，30°；σy1為煤柱的極限程度，5 MPa；α為煤層傾角，4°；C0為煤體內黏聚力，0.76 MPa；γ0為煤體平均體積力，0.016 MPa；Px為冒落巖石、支護設施等對煤柱的側向約束力，0.2 MPa。

根據彈塑性理論求得巷道圍巖塑性區寬度R為：

式中，r0為巷道等效半徑，3 m；γ為煤體平均體積力，0.025 MPa；H為采深，640 m；Pi為支護阻力，0.6 MPa。

將參數代入公式得出W=1.5 m，R=3.4 m。取安全系數n=1.2，得出屈服煤柱合理寬度為n×(W+R)= 5.9 m。

3 煤柱寬度留設數值模擬分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D數值模擬軟件對孤島綜放工作面圍巖應力分布情況進行分析，結合工作面工程地質條件，建立了5種區段煤柱計算模型，分別為4，6，8，10，12，14，16，18 m和20 m。數值計算模型尺寸為長度800 m，寬度500 m，高度300 m，傾角4°，煤層埋深640 m，模型右側為水平方向固定條件，底板為固定邊界條件，上邊界為自由邊界，施加上覆巖層載荷。比較留設不同煤柱下巷道掘進后圍巖應力分布情況。

3.2 模擬結果分析

通過在巷道圍巖內部布置監測點，監測巷道圍巖不同位置的變形量，數值模型計算結束后，提取監測點的數據，利用Origin數據分析軟件對巷道圍巖的變形量進行分析。

3.2.1 掘進期間巷道圍巖變形量變化情況

（1）由圖1可知，巷道掘進期間，當煤柱寬度為4～10 m時，隨著煤柱寬度的增大，煤柱幫變形量快速減小：當煤柱寬度大于10 m時，煤柱幫變形量減小的速率變小；當煤柱寬度為10 m時，煤柱幫變形量為462 mm，與煤柱寬度為4 m時相比，煤柱幫變形量減少了60%。

圖1 巷道掘進期間不同煤柱寬度巷道圍巖變形曲線

（2）當煤柱寬度為4～8 m時，隨著煤柱寬度的增大，頂板變形量快速減小；煤柱寬度大于8 m時，頂板變形量減小速率較小，煤柱寬度為8 m時頂板變形量為668 mm，與煤柱寬度為4 m時相比，頂板變形量減少了38%，煤柱寬度從8 m增大到20 m，頂板變形量減小了15%。

（3）當煤柱寬度為4～10 m時，實煤體幫變形量隨煤柱寬度的增大降幅較大，煤柱寬度為10 m時變形量為394 mm，與4 m時相比減小了40%；當煤柱寬度大于10 m時，變形量減小速率較小，煤柱寬度為20 m時，實煤體幫變形量為344 mm，與煤柱寬度10 m時相比減小了13%。

（4）由圖1可知，底板變形量在巷道掘進期間變化不大，煤柱寬度為8 m時底板變形量為186 mm，與煤柱寬度為4 m時相比減小了27%；當煤柱寬度大于8 m時，隨著煤柱寬度的增加，變形量緩慢減小。由以上分析可知，煤柱寬度為8～10 m時，能有效控制巷道圍巖的變形量。

3.2.2 回采期間巷道圍巖變形量變化情況

巷道開挖計算平衡后，模擬工作面推進50 m時，不同煤柱寬度工作面前方25 m處巷道圍巖不同位置的變形情況，提取頂底板、煤柱幫和實煤體幫的變形量，利用Origin軟件進行分析。

由圖2可知，在工作面回采期間，頂板變形量最大，煤柱幫變形量次之，底板變形量最小。

圖2 工作面回采期間不同煤柱寬度巷道圍巖變形曲線

（1）工作面回采期間，當煤柱寬度為4 m時頂板變形量為1 674 mm，煤柱寬度為10 m時頂板變形量為782 mm，與煤柱寬度為4 m時相比，煤柱寬度為10 m時頂板變形量減小了53%；當煤柱寬度大于10 m時，變形量降幅減緩，與煤柱寬度為10 m時相比，煤柱寬度為20 m時，頂板變形量減小了22%。

（2）當煤柱寬度為4～10 m時，隨著煤柱寬度的增大，煤柱幫變形量快速減小，煤柱寬度為10 m時，煤柱幫變形量為538 mm，與煤柱寬度為4 m時相比減小了63%；煤柱寬度大于10 m時，隨著煤柱寬度的增大，煤柱幫變形量減小速率變小。

（3）當煤柱寬度為4～8 m時，實煤體幫變形量隨煤柱寬度的增大降幅較大，煤柱寬度8 m時變形量為517 mm，與4 m時相比減小了47%，煤柱寬度大于10 m時，變形量降幅較小。

（4）底板變形量在工作面回采期間變化較小，煤柱寬度為4～8 m時，隨著煤柱寬度的增大，底板變形量降幅較大，當煤柱寬度大于8 m，隨著煤柱寬度的增大，底板變形量不明顯。

由上述分析可得，在工作面回采期間，煤柱寬度選擇8～10 m能有效控制巷道圍巖的變形。

3.3 確定煤柱寬度

通過數值模擬計算結果及分析可得，孤島工作面回采巷道掘進和工作面回采期間煤柱寬度對巷道圍巖變形的影響規律：煤柱寬度越大，巷道圍巖變形量逐漸減少。當煤柱寬度為4～10 m時，煤柱寬度的增大能有效地減小巷道圍巖的變形；當煤柱寬度大于10 m時，煤柱寬度越大，對巷道圍巖變形的影響越小。從煤柱寬度對巷道圍巖變形量的影響規律可知，煤柱寬度為8～10 m是巷道圍巖變形量的轉折點。因此，從有效控制巷道圍巖變形的角度確定8～10 m為合理有效的煤柱寬度。

4 工程應用及實測分析

4.1 巷道支護技術

根據理論計算和數值模擬分析結果，二盤區里側煤柱工作面順槽煤柱寬度設計為3～5 m，支護方案采用“錨網索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯合支護技術，錨索規格：17.8 mm×4250 mm，頂板錨索間排距：800 mm×1000 mm，托盤為12 mm×200 mm×200 mm，鋼筋梯長度為4960 mm，幫錨索間排距：900 mm×1000 mm，山墻錨索間排距：900 mm×900 mm，錨固長度不小于1500 mm。頂板槽鋼梁錨索規格：21.6 mm×8250 mm，間排距：1300 mm×1000 mm。金屬網片使用6 mm鋼筋焊接，網幅1100 mm×1900 mm，網片搭接100 mm，頂部四角綁扎，幫部對角綁扎。噴漿厚度100 mm，鋼棚卡纜或連接板處需要加強封閉的區域，厚度可適當調整，強度等級為C25。漿液配合比為水:水泥＝1:0.6～0.8，水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，注漿管規格為25 mm×2000 mm，注漿孔深4000 mm，注漿孔間排距1600 mm×1600 mm，中線兩側800 mm位置各布置一個注漿孔，然后依次按照間距1600 mm布置注漿孔，注漿孔角度為兩幫注漿孔下扎30°～45°，其余與巷壁夾角不小于75°。

4.2 巷道圍巖變形監測及分析

為了驗正巷道煤柱寬度留設的合理性及支護效果，工作面開始回采后，在工作面前方布置10個測點，測點間距為10 m，從回采工作面開始，將測點編號為1#、2#、3#至10#。每個測點設置3個觀測斷面，觀測采用“十”字觀測法，用鋼尺測量巷高、巷寬變化情況，觀測巷道頂底板、兩幫移近量，對3個觀測斷面所測得的值取平均值進行記錄。

掘進期間，巷道開掘40 d后圍巖變形速率減小，55 d后巷道圍巖變形趨于穩定。頂底板和兩幫移進量分別為167 mm和194 mm。回采期間，工作面前方80 m外的巷道圍巖變形量較小，基本不受采動影響，而工作面前方40 m范圍內的巷道圍巖受采動影響較大，圍巖變形量較大。受采動影響下，工作面前方頂底板和兩幫移進量最大分別為230 mm和317 mm。由觀測結果可知，煤柱寬度為4 m，采用“錨網索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯合支護技術能有效控制孤島工作面回采巷道圍巖的變形。

5 結論

（1）通過理論計算，得到孤島工作面承載煤柱合理寬度應大于50.6 m，屈服煤柱合理寬度為5.9 m。

（2）由數值模擬計算結果分析可知，巷道掘進期間，煤柱寬度為4 m時煤柱幫變形量最大，當煤柱寬度大于10 m時，隨著煤柱寬度的增大，煤柱幫變形量較小，煤柱寬度為8 m時，頂板下沉量出現轉折點，當煤柱寬度大于8 m時，增加煤柱寬度對巷道頂板變形有效較小。工作面回采期間，煤柱寬度為4 m時頂板變形量最大，煤柱幫變形量次之，當煤柱寬度大于10 m時，煤柱寬度變化對巷道圍巖變形影響較小。綜合考慮合理的煤柱寬度范圍應為8～10 m。

（3）通過對理論計算與數值模擬計算結果進行分析，回采巷道煤柱寬度設計為3～5 m，采用“錨網索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯合支護技術能有效控制巷道圍巖的大變形。實測結果表明，掘進與回采期間孤島工作面回采巷道的圍巖變形未超過安全范圍，支護參數設計合理，具有較好的支護效果，能滿足孤島工作面安全和高效的生產需求。