南關煤礦三采區回采巷道合理煤柱寬度研究

孟曉剛

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司， 山西 介休 032000）

隨著我國煤礦開采深度的不斷加大和采煤機械化程度的不斷提高，各礦井大多面臨采掘銜接緊張、圍巖應力急劇增加、采出率要求逐漸提高等問題[1-2]，其中護巷煤柱寬度的合理選擇是決定工作面回采巷道掘進時的穩定性及后期維護工作量的關鍵[3-5]。與常規順采工作面相比，跳采之后所遺留的孤島工作面的兩側采場引起的覆巖變形破壞和結構失穩更加嚴重，在孤島內部掘進回采巷道時其礦壓顯現更加劇烈，巷道返修率高，嚴重影響了礦井生產效率[6-7]。因此合理選擇孤島工作面兩側護巷煤柱寬度既能保證煤柱自身和新準備工作面回采巷道的穩定性，減小巷道返修工作量，又能夠緩解礦井采掘銜接緊張局面，并且提高采出率[8]。

本文以南關礦2號煤層三采區孤島工作面為背景，分析了上區段采空區側向支承應力的分布規律以及下區段工作面回采巷道掘進后的應力、位移特征與煤柱寬度的關系，通過理論計算和數值模擬的方法，從煤柱與巷道穩定性兩個方面出發，確定了南關礦三采區孤島工作面兩側護巷煤柱的合理寬度，研究結果可為同類型工作面提供參考。

1 工程概況

南關礦2號煤層三采區地面標高1 075～950 m，采區標高575～445 m，埋深約500 m。其中的回采工作面傾向長度150 m，回采巷道走向長度900 m，所采2號煤層平均厚度2.4 m，傾角1°～5°。煤層頂板以泥巖、砂巖為主，偽頂為厚度0.2 m泥巖，直接頂為厚度1.4 m泥巖，老頂為厚度3.2 m粉砂巖；底板以砂巖為主，直接底厚度2.5 m細砂巖，老底厚度1.4 m粉砂巖。工作面頂底板巖層特征見表1。

表1 工作面頂底板巖層特征

采區內工作面均采用后退式走向長壁綜合機械化整層開采，雙巷布置，U型通風。工作面回采巷道均為頂板傾斜的直角梯形斷面，寬度4.4 m，中心高度2.8 m，沿煤層頂板掘進。經過之前的跳采，現階段南關礦三采區工作面均為孤島工作面，工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 工作面布置平面示意圖

2 理論計算

由回采巷道煤柱臨界寬度的理論計算方法[9]估算南關礦2號煤三采區回采巷道的煤柱寬度極限如下：

由Bieniawski煤柱強度計算公式，有：

式中，σc為由煤體中取出的標準試件的單軸抗壓強度，W為區段間的煤柱寬度，h為回采巷道高度。

煤柱的靜載荷集度為：

式中，γ為煤層上覆巖層的容重，H為煤層埋深，B為回采巷道寬度。

當煤柱取不發生破壞的臨界寬度W0時，煤柱的靜載集度與煤柱強度相等，因此，由qi=σp，可得煤柱的臨界寬度應該滿足：

將南關礦2號煤標準試件的單軸抗壓強度12MPa代入公式，并根據埋深500m，巷道高度2.8m，寬度4.4 m，煤層上覆巖層容重26 kN/m3，計算可得，南關礦2號煤三采區條件下煤柱寬度不應小于24.28 m。

3 數值分析

3.1 模型建立及邊界條件

根據南關礦2號煤層三采區工作面地質條件建立FLAC3D數值模擬模型。當煤柱及巷道的尺寸遠小于相鄰采空區的走向長度時，其穩定性問題可按照平面應變問題來研究，因此建立數值模擬模型尺寸為109.2 m×46 m×10 m（長×高×厚），模型總共包括101 460個單元，109 620個節點，在煤柱及巷道附近單元體尺寸較小，到模型邊界單元體尺寸逐漸變大。模型的四個側面為鉸支，限制四周邊界節點的水平位移；底部為固支，限制節點的全部位移；頂部為應力邊界，按照巷道埋深模擬上覆巖層的重力施加12 MPa垂直向下均布荷載。模擬計算煤巖體采用摩爾庫倫屈服準則。模型中包括一個回采巷道及相鄰工作面采空區，模擬煤柱寬度5m、7.5m、10m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m，模擬巷道高幫側為煤柱和相鄰工作面采空區，低幫側為待回采煤體。模擬模型如圖2所示。

圖2 模擬模型圖

3.2 上區段采空區支承壓力分布特征

南關礦三采區中上區段工作面回采結束后，采空區支承壓力在2號煤層中的分布特征如圖3所示。

圖3 采空區支承壓力分布規律

由圖3可知，在上區段工作面回采結束后，距采空區煤壁0～1 m范圍內垂直應力分布為3.41～11.9 MPa，可知該范圍內煤體由于破碎難以承受垂直應力的升高，產生了小于原巖應力垂直應力降低區，該范圍為煤體破裂區；距采空區煤壁1～3.5 m范圍內垂直應力為12.5～40.57 MPa，該范圍內垂直應力大于原巖應力，且隨著遠離采空區煤壁垂直應力逐漸增大并達到峰值，該范圍為煤體塑性區；距采空區煤壁3.5～27.5 m范圍內，隨著遠離采空區煤壁，垂直應力由峰值逐漸下降到12.5 MPa左右，恢復至原巖應力水平，該范圍為煤體彈性區；在距離采空區煤壁大于27.5 m的范圍內，煤體中垂直應力穩定在原巖應力水平，該范圍為原巖應力區。由上可知，采空區煤壁中可以分為應力降低區（0～1 m），應力升高區（1～27.5 m），原巖應力區（＞27.5 m），并且采空區煤壁中的垂直應力峰值為40.57 MPa，出現在距采空區煤壁3.5 m處，且采空區支承壓力在側方煤體中的影響范圍為27.5 m左右。

3.3 下區段巷道掘進后受力及變形規律

3.3.1 煤柱內支承壓力分布規律

上區段工作面回采結束后，下區段工作面回采巷道掘進后不同寬度煤柱內的垂直應力分布曲線如圖4所示。

圖4 不同寬度煤柱內支承壓力分布規律

由圖4可知，當煤柱寬度小于10 m時，煤柱受到上區段采空區及下區段回采巷道的支承壓力疊加影響而發生嚴重的失穩破壞，在殘余強度下，煤柱中的垂直應力峰值較小；當煤柱寬度為10～20 m時，煤柱內應力呈現出峰值靠近采空區一側的傾斜分布，由于上區段采空區及下區段回采巷道在煤柱內產生支承壓力疊加，靠近巷道側煤柱內應力集中仍較大；當煤柱寬度為25～40 m時，由于煤柱寬度的加大，上區段工作面回采及下區段回采巷道掘進在煤柱內產生的支承壓力并不會發生明顯的疊加，靠近巷道側的煤柱內應力集中恢復至巷道掘進水平。綜合分析不同煤柱寬度下煤柱內的支承壓力峰值可以發現，煤柱內的垂直應力峰值隨著煤柱寬度的增大先增大后減小，并在10 m寬度時達到峰值，這是由于當煤柱寬度較小時，煤柱發生嚴重變形破壞，導致其承載能力大大降低，應力峰值較低；隨著煤柱寬度的增大，上區段采空區及下區段回采巷道在煤柱中產生的支承壓力相互疊加，應力峰值逐漸升高；但隨著煤柱寬度的繼續增大，上區段采空區及下區段回采巷道在煤柱中產生的相互疊加作用減弱消失，煤柱內的應力峰值又逐漸減小，恢復單采空區煤壁中的垂直應力峰值水平。

圖5 回采巷道圍巖變形隨煤柱寬度的變化規律

3.3.2 巷道圍巖位移破壞變化規律

如圖5所示為南關礦三采區上區段采空區側下區段回采巷道開挖后不同煤柱寬度條件下圍巖的變形情況。由圖可知，在下區段回采巷道開挖后，煤柱幫移近量最大，實體煤幫移近量次之，并且幫部變形量大于頂板變形量，底板變形量最小。隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖頂底板及兩幫變形量均逐漸減小，在煤柱寬度大于25 m以后，巷道圍巖變形量的減小幅度趨于零，且兩幫移近量逐漸趨于相等，頂底板移近量也逐漸趨于相等。證明隨著煤柱寬度的增大，下區段回采巷道受到上區段采空區的影響逐漸減弱，在煤柱寬度大于25 m后，逐漸不受影響。

圖6 不同煤柱寬度巷道圍巖中的塑性區分布規律

如圖6所示為不同煤柱寬度條件下區段回采巷道圍巖中塑性區分布情況，由結果可知，當煤柱寬度小于10 m時，巷道圍巖中的塑性區分布范圍大，整個煤柱都發生屈服破壞，此時巷道穩定性極差；當煤柱寬度較大時，巷道圍巖中的塑性屈服區與采空區圍巖中的塑性屈服區沒有貫通，圍巖中的塑性屈服分布范圍較小，巷道穩定性得到提高。

綜合應力和位移破壞的變化規律可知，隨著煤柱寬度的減小，煤柱內的應力和下區段巷道的位移均為急劇升高的趨勢，塑性屈服范圍急劇增大；隨著煤柱寬度的增大，煤柱內的應力和下區段巷道的位移則明顯減小，塑性屈服范圍減小。合理的煤柱寬度應該使得巷道處于低應力環境中；并且保證能夠隔離上區段采空區，防止漏風發火；同時應能夠最大限度節約煤炭資源，提高煤炭采出率。因此，在南關礦軟弱的2號煤層和頂底板條件下，受到高應力環境的影響，南關礦應慎用小煤柱及沿空留巷的開采方式，在南關礦2號煤層三采區工作面間的煤柱合理寬度應不小于25 m。

4 工程應用

結合南關礦的生產地質條件分析，認為南關礦三采區回采巷道的煤柱寬度留設的關鍵影響因素為：煤巖層強度小，且目前為孤島工作面，所受采空區支承壓力大。因此，采用25 m寬煤柱后，在下區段回采巷道中著重加強對幫部軟弱煤體進行支護，同時頂板角部采用斜跨錨桿，提高頂板巖體的抗剪強度并避免頂板的臺階式下沉等現象。支護參數為：頂錨桿為Φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，每排6根，間排距800 mm×800 mm；幫錨桿也選取型號為Φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距850 mm×800mm；每根錨桿配用1節CK2355（里）和1節K2355（外）型錨固劑。頂錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm鋼鉸線，布置成“三花型”，間排距2000mm×800mm。幫錨索也采用Φ17.8 mm×6 000 mm鋼鉸線，以45°～60°支護，排距為1 600 mm；每根錨索配1節CK2355、2節K2355型樹脂藥卷。要求錨桿錨固力不小于80 kN，錨索預緊力不小于120 kN。支護斷面如圖7所示。

圖7 下區段回采巷道支護斷面圖（單位：mm）

圖8 下區段回采巷道掘進期間變形規律

在掘進與回采期間均對下區段回采巷道的圍巖變形量進行監測，結果表明，在掘進后30天內巷道圍巖變形量逐漸趨于穩定，煤柱幫和實體煤幫最大變形量均不超過150 mm，頂板下沉量不超過100 mm，配合下區段工作面的超前支護，下區段回采巷道安全穩定無返修，實現下區段工作面的高效生產。

5 結論

1）由回采巷道煤柱臨界寬度的理論計算方法，區段間煤柱的寬度及穩定性與煤體的單軸抗壓強度、埋深以及下區段回采巷道的寬度和高度相關，根據理論計算結果，南關礦2號煤三采區煤柱寬度不應小于24.28 m。

2）數值模擬計算結果表明，在煤柱寬度小于20 m時，下區段回采巷道受上區段采空區影響較大，圍巖中應力和變形量急劇升高，出現了大范圍的屈服破壞區，綜合考慮認為南關礦2號煤三采區的合理煤柱寬度為25 m，與理論計算結果向對應。

3）在采用25 m的合理寬度煤柱并對巷道幫部及角部進行重點加固后，下區段回采巷道的變形量較小，無返修，滿足了下區段工作面回采期間的穩定性要求。