王莊煤礦沿空掘巷煤柱合理寬度研究

李海峰，陳昭宏

(1.潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116)

近年來，隨著煤礦開采強度的不斷提高，開采深度在不斷加深，井下生產條件日益困難，巷道維護難題也愈發凸顯，成為制約煤礦安全、高效生產的重要因素[1-3]。王莊煤礦7105綜放工作面輔助進風巷設計為小煤柱沿空掘巷，煤柱寬度的合理留設是保障巷道圍巖穩定、以及工作面安全高效生產的關鍵，對提高煤炭資源采出率，延長礦井服務年限具有重要意義[4-7]。本文對此進行研究，以確定7105輔助進風巷沿空掘巷時煤柱寬度的合理尺寸。

1 工作面概況

王莊煤礦7105工作面位于71采區南部，工作面東部為漳澤水庫保護煤柱，西部為71采區大巷，南部為絳河保護煤柱，北部為正在回采的7103工作面。工作面采用兩進一回的“W型”通風方式，工作面平面布置如圖1所示。工作面開采3號煤層，煤層平均厚度為7.2 m，傾角為1～7°，埋深430～446 m，煤巖層綜合柱狀如圖2所示。當7103工作面回采完畢后，7105輔助進風巷留一定寬度的護巷煤柱沿7103工作面采空區邊緣掘進，巷道長1 690 m，沿煤層底板掘進，與71采區膠帶輸送機巷相連，巷道斷面為4.5 m×3.2 m的矩形，用于7105工作面的輔助進風和材料運輸。

2 煤柱尺寸理論計算

煤柱承受的負荷來自于兩個部分，一部分為其上覆巖層自身的重力，另一部分載荷是由煤炭采出后采空區上覆巖層轉移而來。單位長度煤柱上所承受的總載荷為：

式中：P為單位長度煤柱承受的總載荷，kN；B為煤柱寬度，m；D為采空區切眼長度，m；H為回采巷道埋深，430 m；δ為采空區上覆巖層垮落角，(°)；γ為上覆巖層平均容重， kN/m3。

圖1 工作面平面布置

煤柱的極限載荷為：

式中：R為煤柱承受的極限強度，MPa；Rc2為煤柱的單軸抗壓強度，取煤體單軸抗壓強度的1.15倍，MPa；h為煤柱高度，m。

若想要煤柱可以承受足夠負荷而不破壞，煤柱的寬度就需要寬到使其所受平均負荷不超過它的極限負荷，即：

王莊煤礦7105工作面采空區切眼長度為252 m，巷道埋深為430 m，上覆巖層垮落角約為40°，上覆巖層平均容重為25 kN/m3，煤體單軸抗壓強度經實驗室測定為8.58 MPa，煤柱高度約為3.2 m。通過計算可得，合理煤柱寬度B≥8.08 m。

圖2 煤巖層綜合柱狀

3 煤柱尺寸數值模擬分析

3.1 數值模型建立

結合王莊煤礦7103工作面和7105工作面的地質條件，采用FALC3D數值模擬軟件建立模型，模擬不同寬度煤柱條件下的應力和位移情況，從而確定合理的煤柱寬度。

建立的模型尺寸為長×寬×高=100 m×50 m×45 m，整個模型劃分為117 600個單元和123 328個節點，模型計算遵循摩爾-庫倫屈服準則，模型四周為滑移邊界，底部為固定邊界，頂部施加γH=0.025×430=10.75 MPa的載荷。數值計算模型如圖3所示。

設計煤柱寬度為5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m共8種數值模擬方案，分別構建這8種煤柱寬度條件下的計算模型。

圖3 數值計算模型

3.2 模擬結果及分析

7105工作面回采期間不同寬度煤柱的垂直應力和水平應力分布曲線如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：煤柱的垂直應力和水平應力分布形態相同，都是先增加到極值狀態然后逐漸減小。當煤柱寬度從5 m增加到8 m時，煤柱上的垂直應力最大值從18.1 MPa增加到27.5 MPa，增加了51.9%；煤柱上的水平應力最大值從5.9 MPa增加到9.3 MPa，增加了57.6%。煤柱寬度從8 m增加到12 m時，煤柱上垂直應力最大值和水平應力最大值變化較小，最后趨于一個穩定階段。說明煤柱寬度大于8 m時，工作面回采過程中煤柱中心存在一定寬度的完整煤體，能夠承受工作面超前動壓的影響，使得工作面安全回采。

圖4 不同煤柱寬度垂直應力分布曲線

圖5 不同煤柱寬度水平應力分布曲線

7105工作面回采期間不同寬度煤柱水平位移曲線如圖6所示。由圖6可知：不同煤柱的水平位移曲線形態相同，煤柱兩側水平位移大，煤柱中間水平位移小。當煤柱寬度從5 m增加到8 m時，煤柱中心線上的水平位移最大值從835 mm減小到340 mm，減小了59.2%；煤柱煤柱中心線上不存在水平位移為0 mm的點。煤柱寬度從8 m增加到12 m時，煤柱中心線上的水平位移最大值從340 mm減小到257 mm，減小了24.2%；煤柱煤柱中心線上存在一定寬度水平位移為0 mm的點。說明煤柱寬度大于8 m時，工作面回采過程中煤柱中心存在不受工作面回采影響的點。

圖6 不同煤柱水平位移曲線

7105輔助進風巷圍巖變形與煤柱寬度的關系如圖7所示。由圖7可知：當煤柱寬度從5 m增加到8 m時，巷道圍巖變形隨煤柱寬度增大而減小；頂板下沉量從530 mm減小到280 mm，減小了47.1%；底鼓量從200 mm減小到180 mm，減小了10.0%；實體煤幫移近量從350 mm減小到250 mm，減小了28.6%；煤柱幫移近量從835 mm減小到400 mm，減小了52.1%。當煤柱寬度大于8 m時，巷道圍巖變形趨于穩定。

圖7 不同寬度煤柱下巷道圍巖變形曲線

根據窄煤柱合理寬度確定原則，7105沿空掘巷窄煤柱確定為8 m時，能夠保證煤柱本身完整性，且巷道表面收斂程度較小，利于巷道穩定。

4 結 語

通過理論計算，得出合理煤柱寬度為8.08 m；通過數值模擬，煤柱寬度選取為8 m時，既能夠保證煤柱本身完整性，利于巷道穩定，又能夠減少巷道表面變形。綜合理論計算和數值模擬，最終確定煤柱寬度為8 m較為合理，建議7105輔助進風巷沿空掘巷時按8 m的尺寸留設煤柱，既可以減少煤炭資源的浪費，又能夠滿足工作面回采的要求。