特厚煤層綜放工作面小煤柱留設合理寬度研究*

沈玉旭，張文陽

(1.山西能源學院， 山西 晉中市 030600；2.晉能控股集團煤炭產業部， 山西 大同市 037003)

0 引言

煤礦為保持回采巷道穩定，防止漏風和相鄰采空區瓦斯等有毒有害氣體涌出，區段間采用留設保護煤柱護巷，煤柱寬度一般都在30 m左右，對瓦斯治理和煤層自燃發火的防治起到了較好的效果，但是工作面順槽礦壓顯現強烈，巷道變形、冒頂嚴重，影響著礦井的安全高效生產，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費嚴重，煤柱損失高達 10%～30%[1-4]。針對以上實際情況，國內學者做了大量的研究，開展了綜放工作面沿空掘巷技術研究，確保工作面防火以及瓦斯治理達到要求，同時，為實現小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、經濟合理、技術可行的方案，也做了一些特厚煤層綜放工作面沿空掘巷的基礎理論和關鍵技術的研究[5-14]。

針對某礦回采巷道變形嚴重，甚至局部底鼓，煤柱尺寸過大，煤炭資源損失嚴重等問題，以8204工作面回風巷煤柱留設為研究對象，通過理論計算和數值模擬，確定合理煤柱尺寸。

1 工作面概況

8204工作面主采3號煤～5號煤，煤層埋深500 m左右，平均厚度17.09 m，平均傾角3°，工作面長 235 m，距最近斷層垂直距離 30 m，順槽長度870 m，高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，容易自燃，采用綜采放頂煤采煤方法，一側為 8206工作面，已采。

3～5號煤層結構復雜，節理裂隙發育。煤層基本頂為粉砂巖，厚度達30 m以上，f=11.6，局部賦存巖漿巖，厚度為0.4 m～1.8 m，中夾1～2層煤線；直接頂為細-中砂巖，厚度為0.51 m～30 m，f=10.7，局部夾薄層粉砂巖或多層煤線；偽頂為泥巖，厚度為0.01 m～0.5 m；直接底為細砂巖，厚度為0 m～5.52 m，f=10.7；老底為中、粗砂巖，厚度為5.2 m～10.90 m。

2 理論計算

為了保證巷道圍巖穩定，控制巷道變形量，避免支撐壓力的影響，傳統的大煤柱巷道圍巖變形嚴重，不能滿足要求，把巷道布置在圍巖應力降低區，不僅可以減小煤柱的寬度，同時可以提高煤炭回采率。煤柱兩側由于支撐壓力影響都有破碎區，煤柱內部也有塑性區，錨桿支護的錨固段需要布置在穩定的區域內。如果煤柱寬度太小，錨固段煤層破碎，難以形成足夠的錨固力，從而難以保證煤柱的穩定性。因此，煤柱寬度的布置既要保證煤柱布置在應力降低區，減小煤柱寬度，又要保證煤柱的穩定性。小煤柱寬度計算公式見式（1）。

式中，B為小煤柱寬度，m；x1為上區段煤柱側煤體破碎區域寬度，m；x2為本區段煤柱側錨桿支護有效長度，m；x3為安全系數寬度，x3=（0.15～0.35）（x1＋x2），m。

經計算，小煤柱寬度B=6.89 m～8.12 m，此工程條件下合理的小煤柱寬度為8 m左右。

3 數值模擬

3.1 模型建立

本次使用大型巖土軟件FLAC3D模擬8204工作面及其周邊煤巖體，采用莫爾庫侖模型。計算模擬長度400 m，寬度300 m，高度200 m，X方向為工作面長度方向，Y方向為工作面推進方向，Z方向為垂直地面方向，工作面長180 m，向前推進150 m，煤層厚度 15 m，巷道尺寸 5 m×3.5 m，共劃分了96523個單元和106432個節點。

為了使數值模擬更加接近實際情況，該模型的頂底板巖石力學參數為實際工程地質條件煤層頂底板巖石力學參數，分別模擬未開挖和5 m、10 m、25 m小煤柱時巷道周圍圍巖受力、變形和破壞特征。

為了消除邊界效應，本次模擬四周限制水平位移，底部為固定邊界，限制水平和豎直位移移動；模型上部施加自重應力載荷 10 MPa（2.5 MPa/100 m）；煤層初始垂直應力為12.5 MPa（2.5 MPa/100 m），水平應力為6.25 MPa（1.25 MPa/100 m）。

3.2 模擬結果

（1）未開挖時巷道周圍應力分布。由圖 1和圖2可知，巷道周圍未開挖時，圍巖的應力分布曲線隨著距離的增加垂直應力也在增加，距離巷道35 m以外后應力趨于穩定，峰值強度24 MPa，0～10 m范圍內圍巖垂直應力較小，煤層比較穩定，利于下區段巷道維護和安全生產。

圖1 巷道周圍垂直應力分布

圖2 巷道周圍垂直應力曲線

（2）不同尺寸煤柱巷道周圍應力分布。由圖3～圖 6可知，沿空巷道開挖后，巷道周圍的垂直應力分布曲線整體趨勢沒有發生變化，峰值強度也沒有太大變化，只是垂直應力峰值向煤體深處轉移。由圖5可知，10 m小煤柱和5 m小煤柱比較，圍巖應力降低區更大，更適合布置下區段巷道。由圖6可知，大煤柱不利于巷道周圍應力降低區的擴展，反而縮小了應力降低區范圍，同時圍巖的垂直應力也增加，不利于下區段巷道的布置，巷道維護困難。

圖3 留5 m小煤柱時巷道周圍垂直應力分布云圖

圖4 留10 m小煤柱時巷道周圍垂直應力分布云圖

圖5 不同小煤柱巷道周圍垂直應力曲線

圖6 小煤柱和大煤柱巷道周圍垂直應力曲線

根據數值模擬結果分析可知，8204工作面回風巷與上區段煤柱寬度應在10 m以內。

4 現場觀測

根據理論計算和數值模擬結果分析，8204工作面回風巷與上區段煤柱寬度最終定為8 m。

（1）鉆孔窺視。采用 GD3Q-GM 型鉆孔窺視儀，分別觀測本階段工作面采前不同的范圍煤體破裂情況，在8206工作面5206巷前方100 m處起沿回采方向上10 m、15 m、20 m、25 m和30 m處布置5個監測區，各監測區分別布置3個鉆孔，孔深為15 m。

鉆孔窺視結果顯示，小煤柱內部裂隙發育，但煤柱整體性較好。

（2）巷道位移量。對8204工作面回風巷掘進后觀測巷道兩幫和頂底板移近量，采用“十”字交叉法進行觀測，在順槽內布置4個測區，每個測區布置3個測點，測點間距10 m。

觀測結果顯示，掘巷期間巷道兩幫最大移近量65 mm，頂底板最大移近量57 mm，兩幫移近量大于頂底板移近量，巷道變形量較小。

5 結論

（1）經理論計算、數值模擬以及現場觀測證明，留設8 m小煤柱合理，并提高了煤炭采出率，增加了經濟效益。

（2）小煤柱內部裂隙發育，但煤柱整體性較好，密閉性較強。

（3）掘巷期間巷道兩幫最大移近量61 mm，頂底板最大移近量55 mm，兩幫移近量大于頂底板移近量，巷道變形量小。