特厚煤層沿空巷道煤柱留設寬度研究

王志根，蘇相賓，李 玥，郝鴻儒，賈晉才，陳 云

（1.山陰金海洋南陽坡煤業有限公司，山西 朔州 036999；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

0 引 言

近年來，隨著我國開采工藝的發展以及綜合機械化水平的提升，在特厚煤層沿空巷道留設煤柱，成為厚煤層及特厚煤層開采的重要研究方向[1-2]。受各種不同地質條件的影響，留設煤柱的寬度也不盡相同[3-4]。文獻[5]以王家嶺煤礦20103區段運輸平巷為工程背景，通過FLAC3D數值模擬分析探討了在不同煤柱寬度下圍巖主應力差、變形和破壞的演化規律，提出了合理煤柱寬度范圍，并結合實際地質和生產條件要求確定試驗巷道最佳煤柱寬度。文獻[6]剖析了特厚煤層開采在綜放作業面回采后的側向支承壓力分布特點，為沿空掘進巷道合理留設煤柱的寬度提出了理論依據。文獻[7-11]通過理論計算、數值模擬、相似模擬及現場試驗的方法，研究了沿空掘巷護巷煤柱寬度合理留設及巷道支護技術與參數。所以，確定合理的煤柱寬度以及合理的支護方案，對提高綜放沿空巷道圍巖穩定性煤炭采出率具有重要意義[12-16]。

本文以南陽坡煤礦6104工作面運輸順槽為工程背景，通過數值模擬方法研究了在不同煤柱寬度下，煤柱的垂直應力和塑性區分布特征，進而提出了合理的留設煤柱寬度以及相應的錨網索聯合支護系統，研究其控制機制，并進行現場工業性試驗。

1 概 況

6104工作面處于6號煤層，第二開采水平，地面標高+1 567.43—+1 613.206 m，采區標高+1 319.13—+1 338.91 m，位于山西省山陰縣西北部馬營鄉山峽村北側，6104回風平巷掘進時對地面無影響，走向長度1 620 m，傾向長度300 m，面積486 000 m2。工作面布置如圖1所示。

圖1 61 04工作面位置示意Fig.1 Location of No.6104 Face

6104工作面煤層賦存穩定，厚度在13.2～13.8 m，平均厚度13.5 m，為特厚煤層。煤層傾角2°～4.5°，平均3.3°，屬較穩定煤層，平均埋深270 m。

2 煤柱合理寬度數值模擬分析

根據南陽坡煤礦6104工作面生產地質條件，構建了FLAC3D數值模擬模型。模型尺寸為長×寬×高=200 m×110 m×53 m，共分為178 740個單元體、188 910個節點，如圖2所示。模擬6號煤層厚度13.5 m，6104工作面沿空巷道為矩形斷面，凈寬×凈高=5 000 mm×3 500 mm；x軸方向為工作面傾向，y軸方向為工作面推進方向，垂直方向為z軸方向；四周和底部均使用固支，上部施加5 MPa的自重載荷，并設定側壓系數為1.2，采用Mohr-Coulomb本構模型，應變模式采用大變形模式。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

圍巖塑性區的分布特征是評價和分析巷道圍巖穩定性的重要因素，通過FLAC3D研究在不同寬度煤柱下圍巖的塑性區分布，以確定合理的煤柱寬度。圖3分別為煤柱寬度為5、10、15、20、25、30 m時，圍巖的塑性區分布圖。

圖3 不同煤柱尺寸下圍巖塑性區分布Fig.3 Plastic areas distribution of surrounding rock under different sizes of coal columns

煤柱寬度在5～15 m時，巷道底板圍巖塑性區分布隨煤柱寬度的改變而更加復雜，其塑性區綜合作用范圍為底板下方5 m左右，煤柱兩側塑性區完全貫通，不存在彈性核區域。

煤柱寬度為20 m時，出現彈性核區，平均為7 m，但煤柱的整體變形不大，且處于穩定狀態。

當煤柱寬度在25～30 m時，受采動影響，但煤柱的塑性區范圍較小，靠近6106工作面采空區的煤柱整體變形不大，此時煤柱內存在彈性核區域，且寬度較大，在12～20 m，處于穩定狀態，但浪費資源現象較嚴重。

不同煤柱寬度垂直應力分布如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度垂直應力分布Fig.4 Vertical stress distribution under different widths of coal columns

由圖4可知，對6104回風順槽掘進期間巷道圍巖垂直應力分布分析可以看出如下內容。

（1）煤柱寬度對巷道頂底板垂直應力變化沒有明顯影響，巷道頂底板均處于應力降低區域，其應力狀態基本不隨煤柱寬度的變化而變化。

（2）在實體煤側都有應力集聚現象，隨著煤柱寬度的增大，煤柱側應力集中程度增強，而實體煤側應力集中程度則在下降。

（3）當煤柱寬度為5～15 m時，煤柱上部區域的垂直應力數值無明顯變化，中部區域垂直應力集中程度增大，說明煤柱破壞程度在減少，煤柱慢慢趨于穩定，但仍處于破壞狀態。

（4）在煤柱寬度為20～30 m時，煤柱中部的應力峰值在不斷升高，且集中范圍也隨之變大，但其峰值都小于靠近順槽煤柱幫圍巖的應力值，煤柱處于穩定狀態。采空區附近的垂直應力變動不大。

不同煤柱尺寸垂直應力曲線如圖5所示。

圖5 不同煤柱尺寸垂直應力曲線Fig.5 Vertical stress curves under different sizes of coal columns

（1）當煤柱寬度為5～15 m時，煤柱內垂直應力呈單峰值拋物線分布狀態，峰值中心不在煤柱中心，而是靠近巷道煤柱幫，且隨著煤柱尺寸增加，峰值大小隨著煤柱尺寸的增大由5 m煤柱的7.68 MPa到15 m煤柱的19.3 MPa。

（2）當煤柱寬度由20 m增至30 m時，垂直應力曲線呈梯形分布，出現雙峰值，且隨煤柱尺寸變大，右部峰值有所減少，20 m煤柱時峰值19.2 MPa減小至30 m煤柱峰值16.4 MPa。峰值處隨煤柱尺寸變化逐漸向采空區移動，且數值由25 m寬度的14.1 MPa降低到30 m寬度的13.8 MPa，降低幅度不大。

3 支護控制及現場觀測

根據上述數值模擬分析計算煤柱合理留設寬度為20 m，結合6104工作面回風順槽情況，采用錨網索聯合支護方式控制圍巖變形，如圖6所示。

頂板錨索使用規格為17.8 mm×8 000 mm的鋼絞線錨索，間排距為1 800 mm×2 000 mm。錨桿選用20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm。頂板采用8號鐵絲菱形金屬網，規格為1200 mm×5 400 mm，網格80 mm×80 mm。

實體煤幫與煤柱幫支護相同，選用18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm，上部錨桿距頂板550 mm，底部錨桿距底板550 mm。兩幫均采用8號鐵絲菱形金屬網，1 500 mm×5 000 mm，網格80 mm×80 mm。

巷道圍巖表面位移觀測曲線如圖7所示。

圖7 巷道圍巖表面位移觀測曲線Fig.7 Surface displacement observation curve of roadway surrounding rock

由圖7分析可得，在巷道掘進后20 d范圍內，圍巖變形較為劇烈，在35 d后逐漸趨于穩定。巷道兩幫移進量為138 mm，頂底板移進量為178 mm。

4 結 論

（1）煤柱寬度在5～15 m時，煤柱兩側塑性區完全貫通，不存在彈性核區域。當煤柱寬度較大，在20～30 m時，煤柱內有彈性核區域。

（2）煤柱的垂直應力在護巷煤柱寬度為20～30 m時，煤柱底板處靠近6106工作面采空區區域應力峰值明顯高于靠近6104工作面回風巷側的應力。

（3）煤柱寬度由20 m增至30 m時，垂直應力曲線呈梯形分布，出現雙峰值。

（4）經數值模擬計算，綜合分析確定護巷煤柱寬度為20 m。

（5）結合6104工作面運輸順槽實際情況，采用錨網索聯合支護方式來控制圍巖的變形。經現場實踐表明，該支護技術安全有效。