復合頂板窄煤柱沿空掘巷技術探討

陳淼明，王 永，陳 志，王洪明

（湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201）

復合頂板窄煤柱沿空掘巷技術探討

陳淼明，王 永，陳 志，王洪明

（湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201）

闡述了窄煤柱沿空掘巷實質；依據某礦雙巷掘進的實際情況,采用巖層控制理論和數值模擬等方法,對某礦復合頂板巷道沿空掘巷技術進行探討；對窄煤柱沿空掘巷的可行性和煤柱穩定性進行了研究；依據不同寬度的窄煤柱與巷道圍巖變形量的關系,確定了合理的窄煤柱寬度。研究結果表明，窄煤柱沿空掘巷的關鍵是煤柱寬度的合理確定.隨著煤柱寬度的加大,頂底板位移量減小,圍巖整體變形量呈減小趨勢,結合極限平衡理論計算,最終確定窄煤柱的合理寬度為6m。

復合頂板；窄煤柱；沿空掘巷；錨桿支護；數值模擬

某礦28111風巷埋深約170m，巷道所在煤層傾角5°～15°，平均6.5°，為近水平煤層，采厚2.2 m。28111風巷與相鄰的2811工作面運巷之間留有12m寬的煤柱。鑒于煤炭資源緊張，大寬度煤柱不利于提高采出率、浪費了寶貴煤炭資源。且該礦開采深度不足200 m，礦山壓力并不大，完全可以嘗試窄煤柱沿空掘巷，甚至是無煤柱護巷技術。本文運用巖層控制理論，借助工程力學和數值模擬等工具，對該礦復合頂板巷道沿空掘巷技術進行探討，對窄煤柱沿空掘巷的可行性和煤柱穩定性進行了研究，為該礦嘗試窄煤柱沿空掘巷技術提供理論依據。

1 窄煤柱沿空掘巷理論分析

1.1 沿空掘巷實質

近幾十年來，國內外對沿空掘巷開展了大量的研究工作[1-5]，推動了沿空掘巷技術的發展。同時隨著錨桿支護技術的推廣，傳統采掘體系中為回采工作面留設大煤柱的做法，正在逐漸被窄煤柱沿空掘巷所取代。窄煤柱沿空掘巷的實質[6]是：沿上工作面采空區邊緣留窄煤柱(1m～6m)掘進巷道。其圍巖控制的中心思想基于“巷道布置在采空區側的低應力區，同時窄煤柱有一定的自承能力”。研究得到沿空掘巷窄煤柱留設的一般原則[5]：將巷道布置在應力降低區內，煤柱應盡可能窄，保證采出率高；窄煤柱內部無明顯的應力集中，應有穩定的區域。

1.2 煤柱寬度理論計算

窄煤柱沿空掘巷的關鍵是煤柱寬度的合理確定。為減小巷道圍巖變形、保證巷道穩定、并減少煤炭資源損失，煤柱寬度應盡可能小一些。然而因窄煤柱兩側存在破碎區，且受下一個工作面采動影響，煤柱兩側的破碎區向煤柱中心發展，窄煤柱產生很大的塑性變形。如果煤柱過窄，煤柱中心將均為破碎區和塑性區，沒有穩定的區域。其穩定性和承載能力極低，使幫錨桿安設在破碎圍巖中，錨桿無著力基礎，錨固力減弱，嚴重影響巷道支護效果。如果煤柱過寬，既不利于減小煤炭資源損失，又容易形成應力集中，影響巷道圍巖的穩定。因此，煤柱必須有一個合理的寬度，使沿空掘巷處于應力降低區，既能保證巷道支護體載荷小，又能保證巷道圍巖變形量較小，還可減少煤炭資源損失[6-9]。

通過極限平衡理論研究認為， 合理的最小煤柱寬度B為[6]:

式中：x1為因上區段工作面開采而在下區段沿空掘巷窄煤柱中產生的破碎區，其寬度按式（2）[10]計算；x2為巷道窄煤柱一幫錨桿有效長度,再增加15%的富裕系數，m；x3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩定性系數,按0.2(x1+x2)計算。

式中：m為上下區段平巷高度，m；A為側壓系數，A=μ/（1-μ）；μ為泊松比；φ0為煤體的內摩擦角°；C0為為煤體的粘聚力，MPa；k為應力集中系數，3左右；γ為巖層平均容重，kN/m；H為巷道埋藏深度，m；Px對煤幫的支護阻力，如上區段采空區側支護已拆除，可取Px=0。

將各參數 x2=2 m，m=2 m，A=0.25，φ0=35°，C0=17.24 MPa，k=2.5，γ=25 kN/m，H=170 m，Px取為0，代入上式求得B=5.36m。

1.3 A.H.Wilson理論檢驗[11]

英國A.H.Wilson通過對煤柱加載試驗，發現煤柱的應力是隨著加載而變化的.從煤柱邊界到煤柱應力峰值這一區段，煤體應力已超過屈服點，并向采空區有一定量流動，這個區域稱為屈服區。試驗表明，屈服區寬度Y與開采深度H、開采厚度m有下列關系式

式中：Y為屈服區寬度，m；H為開采深度，m；m為開采厚度，m。

窄煤柱寬度a應滿足以下關系：a≥2Y+S.

式中：S為煤柱區域寬度，取S=2 m；則有：a≥2Y+ S=2（0.005×2×170）+2=5.4m。

運用A.H.Wilson理論檢驗的與極限平衡理論計算的煤柱寬度基本一致，實際選取護巷窄煤柱寬度6m。

1.4 Flac數值模擬分析

相對于現場實驗，數值模擬可以考慮更多的影響因素，并經對比分析可得較優方案。利用美國Itasca公司的有限差分軟件FLAC—2D5.0對某礦28111風巷不同窄煤柱(1 m～8 m)寬度時，巷道圍巖變形量進行了分析。模擬中所用煤巖物理力學參數見表1。圖1是按某礦28111風巷現場實際現有支護方案，建立的數值模擬模型。計算中分別選取窄煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m、8 m五個方案，對巷道在掘進后的實體煤幫、窄煤柱幫、頂板下沉、底臌量進行研究，圖2是巷道圍巖變形量對比圖。

由圖2知，隨著煤柱寬度的加大，巷道頂底板、煤幫變形量均有所減小，圍巖整體變形量呈減小趨勢。窄煤柱一側圍巖變形基本大于實體煤一側。當煤柱寬度由3m增到5m的過程中，巷道圍巖變形速率較大；當煤柱寬度在5 m～6 m之間變化時，巷道圍巖變形速率減小，圍巖變形量沒有太大差別；當煤柱寬度繼續增大，圍巖變形量進一步減小，巷道穩定性進一步提高。

圖3為28111風巷不同煤柱寬度下的豎直方向位移對比圖。

表1 煤巖物理力學參數

圖1 數值模擬模型示意圖

圖2 28111風巷掘出后圍巖變形量

圖3 Y方向位移等高線對比圖

從圖3可知，當煤柱寬度只有3m時，頂底板位移量很大，煤柱沒有穩定的區域；當煤柱寬度增加到4m的候，頂底板位移量有所減小，煤柱依然沒有穩定的區域；當煤柱寬度增到5 m和6 m時，頂底板位移量明顯減小，煤柱出現穩定的區域且區域范圍隨著煤柱寬度的增加而增大；當煤柱寬度增到8 m時，頂底板位移量進一步減小，煤柱區域增大，但這些變化不是很明顯，考慮到煤炭資源的損失，所以煤柱寬度應以5m～6m為宜，這與理論計算的煤柱寬度也相符。因此，結合理論計算與數值模擬分析結果，同時考慮采空區漏風與積水問題，選取窄煤柱寬度為6m。

2 結論

1）窄煤柱沿空掘巷的關鍵是煤柱寬度的合理確定。合理的煤柱寬度不僅可以提高煤炭資源的采出率，還可降低巷道維護難度、改善巷道維護狀況。2）不同開采深度和采高下的沿空巷道，其護巷煤柱的屈服區范圍不同，運用A.H.Wilson理論可以計算屈服區的范圍。3）計算機數值模擬可完成因現場條件制約而無法實施的工作，且可分別模擬各種因素對護巷煤柱的影響，為確定煤柱合理寬度起到了很好的輔助和驗證作用。4）數值模擬分析表明，隨著煤柱寬度的加大，頂底板位移量減小，圍巖整體變形量呈減小趨勢，結合極限平衡理論計算，最終確定窄煤柱的合理寬度為6m。

[1]侯朝炯,李學華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結構的穩定性原理[J].煤炭學報,2001,26(1):1-7.

[2]陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[3]柏建彪，王衛軍，侯朝炯，等.綜放沿空掘巷圍巖控制機理及支護技術研究[J].煤炭學報，2000，25(5):478-481.

[4]Whittaker B N.Design and Stability of Pillar in Longwall Mining[J].Mining Engineer，1979，13:68-72.

[5]柏建彪.沿空掘巷圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社，2006.

[6]李學華，姚強嶺，丁效雷.窄煤柱沿空掘巷圍巖穩定原理與技術[J].煤炭支護，2008(2):1-9.

[7]于洋，柏建彪，陳科，等.綜采工作面沿空掘巷窄煤柱合理寬度設計及其應用[J].煤炭工程，2010(7):6-9.

[8]李順才，柏建彪，董正筑.綜放沿空掘巷窄煤柱受力變形與應力分析[J].礦山壓力與頂板管理，2004(3):17-19.

[9]陳科，柏建彪，朱琪.沿空掘巷小煤柱破壞規律及合理寬度的確定[J].煤礦安全，2009(8):100-102.

[10]李學華，張農，候朝炯.綜采放頂煤面沿空掘巷合理位置確定[J].中國礦業大學學報，2000(2):186-188.

[11]李揚飛，張彥賓，韋乖強.東馬駒村下條帶開采的采留寬度分析[J].能源技術與管理，2007(6):16-18.

Discussion on Driving along Goaf with Complex Roof and Narrow Coal Pillar

CHEN Miao-ming,WANG Yong,CHEN Zhi,WANG Hong-ming
(State Key Laboratory of Safety Mining Technology,Hunan University of Technology,Xiangtan Hunan411201)

The paper presents narrow coal pillars in driving along goaf.According to the real situation of double roadways driving in one mine,on the basis of strata control theory and numerical simulation,the driving along goaf technology is discussed.The feasibility and stability of the pillars are studied:based on the relation between the pillar's width and surrounding rocks'deformation,the reasonable width is determined.The findings show that the key to driving along goal with narrow pillars is the pillars'width.With the increase of the width,the roof displacement and the surrounding rock deformation decrease.Finally,the reasonable width is determined to be6m.

complex roof;narrow coal pillar;driving along goaf;bolt support;numerical simulation

TD322；TD263

A

1672-5050（2011）06-0022-03

2011-03-15

國家自然科學基金項目（50874042）；湖南科技大學研究生創新基金項目（S090101）資助。

陳淼明（1986—），男，廣西岑溪人，碩士研究生，從事礦山巷道圍巖控制工作。

劉新光