沿空掘巷窄煤柱合理寬度優化研究

孫曉龍，宋家樂，賀慶豐，孫利輝,2，胡邦國

（1.河北工程大學 礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開發與利用協同創新中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

隨著我國煤炭資源大量開采，部分地區煤炭資源已近枯竭，煤炭為不可再生能源，提高煤炭資源回收率是亟待解決的問題。窄煤柱沿空掘巷相比寬煤柱護巷方式，能有效提高煤炭資源回收率，確定合理的窄煤柱寬度是保障沿空掘巷順利實施的重要因素[1-3]。國內外專家學者對沿空掘巷合理的窄煤柱寬度進行了大量研究。張文才等[4]通過理論分析、數值模擬和現場監測等方法，研究了采空區邊緣煤體應力分布，分析了不同寬度煤柱巷道的穩定性，確定窄煤柱合理寬度為5 m。方剛等[5]根據Bieniawski 煤柱強度理論及相關判別指標，確定了留設的煤柱寬度。原育鋒等[6]通過力學狀態分析、理論計算和數值模擬，得到了不同寬度煤柱下的應力場和位移場分布特征，確定合理的煤柱寬度為5m。李來源[7]通過理論計算和數值模擬，得到了不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形及塑性區分布規律，確定了合理的煤柱寬度。胡大沖等[8]運用極限平衡理論和模擬分析，認為合理的煤柱寬度為15 m。姚福艷等[9]通過數值模擬方法，獲得了不同寬度護巷煤柱內的支承應力變化規律。

基于上述研究成果，以優化沙曲一號煤礦4305 工作面沿空掘巷煤柱寬度為工程背景，通過理論計算、數值模擬、現場觀測的研究方法，計算了護巷煤柱塑性區寬度，分析了不同寬度煤柱時的巷道圍巖位移場分布規律，最終確定了合理的沿空掘巷窄煤柱寬度。

1 概 況

4305 工作面位于+400 水平，北面為4306 工作面采空區。工作面地質構造簡單，煤層傾角為3°～11°，平均為8°。工作面煤層厚度為3.9～4.2 m，平均為4.1 m。直接頂為中砂巖，厚度約4.91 m，基本頂為泥巖，厚度約2.0 m，直接底為中砂巖，厚度約1.2 m，基本底為粉砂巖，厚度約1.6 m。工作面傾向布置，走向長度為174 m，傾向可采平均長度為396 m。4305 膠帶巷位于5305 膠帶巷以里，原4305 采空區以里，設計5305 膠帶巷掘進至原4305 工作面開切眼位置后，向上穿層掘進至4 號煤，形成4305 膠帶巷，該巷道沿4306 工作面采空區邊緣掘進。

巷道斷面為矩形，凈斷面尺寸4.4 m×4.1 m（寬×高），采用錨網索梯聯合支護，頂部錨桿為φ22 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×700 mm；幫部錨桿為φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×700 mm；頂部錨索采用φ21.8 mm×6 200 mm 左旋預應力鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 400 mm，錨索布置為五花布置（3 根、2 根交錯）；頂板護表鋼帶梁采用W鋼帶，幫梯子梁使用φ16 mm 的圓鋼；煤柱側幫部錨索規格φ17.8 mm×4 200 mm，間排距1 500 mm×1 400 mm，同排錨索使用1.7 m 長的16 號槽鋼連接；頂部錨桿托盤配套使用規格為150 mm×150 mm×12 mm 的碳鋼Q235A3 托盤，幫部錨桿托盤配套使用規格為150 mm×150 mm×10 mm 的碳鋼Q235A3 托盤，頂、幫部錨索均配套使用規格為300 mm×300 mm×16 mm 鋼板制作的配套墊板（強力型）。

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度理論分析

根據小變形彈塑性理論及極限平衡理論，窄煤柱寬度表示為：

式中：Y 為窄煤柱寬度，mm；R 為4305 膠帶巷開挖后的塑性區寬度，mm；R0為上區段工作面周邊煤體的塑性區寬度，mm；a 為掘進影響系數，取1.2；d 為開采影響系數，取1.1。

R、R0表示為：

式中：m 為巷道高度；λ 為側壓系數；C0、φ0分別為煤層與底板界面處的粘結力、內摩擦角；k 為巷道所在位置的應力集中系數；γ 為上覆巖層平均容重；H 為開采深度；K 為回采引起的應力集中系數；Px為巷道支架對煤幫的支護強度；M 為煤層開采厚度。

將表1 中數值帶入，計算得R0=5.8 m，R=1.2 m，窄煤柱合理寬度最小為7.8 m，取整為8.0 m。

表1 4305 工作面相關參數Table 1 Relative parameters of 4305 working face

3 沿空掘巷窄煤柱合理寬度的數值分析

3.1 建立模型

根據4305 工作面實際地質條件，運用FLAC3D 建立尺寸為 420 m×200 m×160 m 的模型。4305 工作面長180 m。模型上邊界施加邊界載荷p=10 MPa，以模擬上覆巖層自重，模型其他3個邊界均為位移約束。煤柱寬度設計5、8 和15 m三種方案，在相同支護方式下分別模擬不同煤柱寬度的沿空巷道圍巖變形量。

3.2 掘進和回采階段巷道位移場分布

4305 膠帶巷道在掘進和回采階段圍巖變形情況如圖1、圖2 所示。

由圖1 可知，在巷道掘進期間，留設煤柱寬度

圖1 掘進期間巷道圍巖變形曲線Fig.1 Deformation curve of surrounding rock during mining

由圖2 可知，在回采期間，留設煤柱寬度5、8、15 m 時，巷道頂底板移近量分別為445、172、141 mm，兩幫移近量分別為1 242、426、313 mm。受采動影響，煤柱寬度5 m 時，巷道變形量很大，特別是煤柱幫移近量達到了897 mm，此時煤柱塑形區與4306 采空區貫通，煤柱失去承載能力，導致巷道變形較大，巷道不穩定，煤柱寬度8 m、15 m 時，巷道變形量相差不大，均可控，且煤柱內仍有一定范圍的煤體處于彈性狀態，可以起到有效支承上覆巖層的作用，利于巷道穩定。

圖3 掘進階段巷道表面移近量Fig.3 Surface movement of roadway in mining

從理論計算和數值模擬結果來看，8 m 和15 m寬煤柱均能保障巷道掘進和工作面回采的安全，巷道變形可控，為提高煤炭資源回收率，確定合理的煤柱寬度為8 m。5、8、15 m 時，巷道頂底板移近量分別為273、108、89 mm，兩幫移近量分別為504、261、203 mm，除煤柱寬度5 m 時，兩幫變形較大外，其余變形量均不大，說明巷道圍巖受掘進擾動影響較小。

圖2 回采期間巷道圍巖變形曲線Fig.2 Deformation curve of surrounding rock during mining

4 窄煤柱應用效果

為驗證以上研究結果是否合理，4305 膠帶巷采用8 m 煤柱沿空掘巷，觀測其在掘進及回采階段表面移近量，結果如圖3、圖4 所示。

從圖3 可以看出，在巷道掘進階段，巷道圍巖穩定后，兩幫移近量為261 mm，頂底板移近量為119 mm，巷道變形量不大。

從圖4 可以看出，在工作面回采階段，兩幫最大移近量為443 mm，頂底板最大移近量為190 mm，均在可控范圍內，巷道穩定性較好。

5 結 論

（1） 通過理論計算確定煤柱寬度為7.8 m，運用FLAC3D 數值模擬，以相同支護方式對5、8、15 m 寬度煤柱下巷道圍巖位移場分布做進一步分析，認為選用8 m 寬煤柱，巷道在掘進和回采期間圍巖變形可控。

圖4 回采階段巷道表面移近量Fig.4 Surface movement of roadway in recovery mining

（2） 通過觀測4305 膠帶巷在掘進和回采階段的圍巖變形情況，認為巷道圍巖變形均可控，留設8 m 寬煤柱既能保障巷道在掘進及回采期間的安全，也提高了煤炭資源的回收率。