采煤工作面沿空掘巷區段煤柱寬度優化研究

＊王國召 王飛飛

（陜西延長石油集團橫山魏墻煤業公司 陜西 719000）

我國煤礦井工開采仍是主要開采手段，隨著埋深的增加，煤炭資源高效開采成為當前的熱門研究方向[1-3]。針對區段煤柱寬度留設仍是礦井高效回采的關鍵技術[4-7]。本文以5319 采煤工作面為工程背景，建立了煤柱寬度的計算模型，并通過理論計算、數值模擬及與現場應用相結合的研究方法對區段煤柱留設的寬度進行了分析優化。

1.工程背景

圖1 5319 工作面布置平面圖

5319 工作面新布置的工作面回風巷屬于典型的沿空掘巷，由于受5320 工作面的回采過程的采動影響，5319 工作面所留設巷道在維護前，煤柱上方煤巖體已出現較多裂隙，進而導致頂板或煤柱出現局部變形現象。5319 工作面沿空巷道一方面受5319 工作面超前支承壓力的作用，同時也承受5320 采空區側支承壓力的作用，導致5319 工作面沿空巷道礦壓顯現極其嚴重。未采取防治措施的情況下，推采5319 工作面時，所造成的巷道變形量是掘進期間的5～6 倍以上。

圖2 綜采工作面煤層柱狀圖

5319 工作面布置在3#煤層松軟，煤樣抗壓強度最大13.7 MPa，最小4.3 MPa，平均為10.3 MPa，軟化系數平均為0.55，抗拉強度最大0.15 MPa，最小0.07 MPa，平均為0.10 MPa。

2.煤柱寬度理論分析

煤柱寬度理論分析的目標是建立和簡化計算模型（如圖3），在保證煤炭回收率的基礎上（留設較小尺寸煤柱），需確保巷道穩定。確定煤柱寬度B 的計算公式如下。

圖3 合理煤柱寬度的計算模型

X1是在采空區側煤體中形成的塑性區域的寬度，它的大小可以通過公式（2）來計算。

式中：m—煤層厚度，m；A—側壓系數，A=μ/(1-μ)，μ為泊松比；φ0—煤層界面的內摩擦角，°；C0—煤層界面的粘結力，MPa；k—應力集中系數；γ—上覆巖層的平均容重，kN/m3；H—巷道埋深，m；Pz—支架的抗壓能力，在采空區的表現為零，從而有效地抵抗煤幫的壓力；X2是指錨桿的有效長度，它取決于錨桿支護參數的選擇；X3是一種因為煤層厚度的增加而導致的煤柱寬度的增長。

根據巷道圍巖力學和支護參數，我們可以計算出沿空窄煤柱寬度的理論值，即B=3 ＋1 ＋（3 ＋1）×0.15（0.35）=4.6 m（8.1 m）。

采用傳統極限平衡理論的方法計算煤柱寬度，得到煤柱寬度的理論值為4.6～8.1 m。

3.數值模擬結果及分析

（1）數值計算模型建立。使用FLAC3D數值計算軟件對沿空掘巷特征進行數值模擬分析，根據5319 工作面實際生產地質條件和巷道布置位置的關系，建立如圖4 所示的沿空掘巷數值計算模型，表1 即為模型的參數。模型尺寸（長×寬×高）確定為400 m×180 m×48 m。

表1 頂底板巖體力學特性

圖4 沿空掘巷數值計算模型

（2）應力分布特征與確定合理煤柱寬度。根據5319 工作面生產的地質情況，同時結合綜采工作面在開采后采空區的側向支承壓力分布的數值模擬情況。在考慮如何確定沿空掘巷窄煤柱的寬度時，對8 種煤柱留設方案進行數值模擬與分析，巷道都布置于上區段采空區穩定后側向支承壓力的應力降低區域，煤柱尺寸為4 m、5 m 和6 m 布置在應力峰值的左側；煤柱尺寸為17 m、18 m、19 m、20 m 和25 m 為布置在應力峰值的右側。理論計算小于4 m 的煤柱達不到支承需要，顧及到采空區的透水問題，巷道的圍巖應力系數不要過大，在一定的安全系數情況下，應將巷道圍巖應力系數設置在2.5 以下，7 m 到16 m 上覆圍巖應力集中系數皆大于2.5，巷道所承受的壓力較大，支護及采煤工作極為困難，不利于安全開采。以4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m 和20 m 八個煤柱寬度的方案進行數值模擬，通過分析模擬結果的應力分布規律及變性特征，選取最佳的煤柱寬度。具體方案見表2。

表2 煤柱寬度選取方案

（3）回采期間巷道應力分布結果分析。5319 綜采小作面在回采過程中，超前支承壓力峰值位于工作面前方8 m 處，做切面研究不同煤柱的垂直應力與煤體邊緣距離的關系煤柱寬度以及垂直應力分布規律對巷道圍巖垂直應力分布的分析。

根據數值模擬結果，巷道圍巖應力參數與煤柱留設寬度分布規律，如表3 所示。

表3 掘進時期的應力集中系數

5319 工作面回采時，在巷道超前8 m 的應力監測點，在4 m、6 m 和8 m 煤柱側向應力峰值伴隨煤柱寬度的增大而增大，尺寸4 m 煤柱的應力峰值為21 MPa，尺寸6 m 煤柱的應力峰值為28 MPa，尺寸8 m 煤柱的應力峰值為30 MPa。煤柱側的應力峰值相對于掘進時期的應力峰值，由于受到回采時產生的超前應力的影響,支承應力也稍有增加。5319 工作面沿空巷道同時受超前支承壓力和側向支承壓力作用，壓力峰值分別為34 MPa 和90 MPa。隨著煤柱尺寸增加至18 m，煤柱受側向支承壓力峰值為60 MPa 左右。

（4）通過研究煤柱寬度，我們可以更好地了解巷道圍巖的塑性分布情況。4 m、6 m 和8 m 的煤柱在工作面的前部8 m 處遭遇劇烈的擠壓，導致巷道的雙邊遭遇斷裂。特別是6 m 和8 m 的巷道，它們的斷裂情況最為嚴峻，而且斷裂的影響范圍也比較廣泛。盡管4 m 斷裂面積較小，但它的塑性損傷比開采要大得多。在10 m、12 m、14 m、16 m 和18 m 的情況下，可以發現巷道的損傷程度相對較低，同時煤柱的塑性沖擊范圍也相應縮短。因此，當煤柱的直徑變得更長時，巷道的損傷程度也將相應降低。

表3 為開采過程應力集中系數分析結果。經測試，4 m、6 m、8 m 的礦柱巷道的上層圍巖的最高應力分布比較平穩，一般不超過2.5，而10 m、12 m、14 m、16 m 和18 m 礦柱巷道的最高應力分布比例則介乎1～2.5，這些都符合掘進的安全要求。經過研究發現，當巷道長度達到1 m 時，其覆蓋圍墻的最大應力集中系數幾乎沒有發生任何改變，但是當長度超過1 m 時，則發生改變。例如，當長度達到1 m 時，其覆蓋壁面的最大應力集中系數可能達到2.01；當長度達到8 m 時，其最大應力集中系數可能達到2.67；當長度達到10 m 時，其最大應力集中系數可能達到3.21；當長度達到12 m時，其最大應力集中系數可能達到2.01；當長度達到16 m 時，其最大應力集中系數可能達到1.83。因此，當長度超過1 m、17 m 和18 m 時，這些巷道的圍墻的最大應力集中系數將超過2.5，這將對其安全性造成嚴重的威脅，危及其正常的使用。盡管4 m、6 m 的礦柱的應力集中系數較小，但它們也會導致采空區的滲漏，從而增加安全風險。相比之下，14 m、16 m、18 m 的煤柱的設計，它們的應力分布更加均勻，而且還有助于減少采空區的滲漏，從而使得它們成為最佳的工程設計。

5319 工作面運輸順槽目前掘進約200 m，與5320工作面采空區之間區段煤柱寬度暫時留設14 m。在煤柱內部打孔觀察煤體內部裂隙發育情況進而對煤柱變形特征進行評價。根據圖5 窺視結果可知，距離孔口1 m 位置時，孔周邊出現明顯變形，存在大量裂隙。隨著孔深的增加，在距離孔口5 m 左右時，裂隙顯著減少。經過0～5 m 的鉆孔深度處理，煤柱內部的裂隙顯著減少，煤柱的結構穩定，變形破壞程度極低，巷道完整性也得到了有效改善，沒有出現礦壓顯現的情況，因此，這種煤柱的留設不會對工作面的安全回采造成任何影響。

圖5 煤柱鉆孔窺視圖

4.結論

（1）根據極限平衡理論建立了煤柱寬度的計算模型，得出煤柱極限平衡區寬度為4.6～8.1 m。（2）使用FLAC3D數值模擬軟件，建立了一個關于5319 工作面開采的模型，并對窄煤柱寬度的合理選擇進行了研究。經過分析，我們發現，在窄煤柱寬度為14 m 的情況下，可以有效降低圍巖應力集中系數，提高巷道的穩定性。（3）通過鉆孔窺視對5319 工作面現有煤柱內部裂隙發育情況進行了觀測，留設煤柱14 m 時煤柱內部仍存在未破壞區域，具有一定的承載能力，進一步驗證了煤柱寬度留設的合理性。