12003工作面護巷煤柱留設寬度的探討與實踐

姚國輝

（河南能源貴州興安煤業有限公司糯東煤礦，貴州 黔西南 561504）

護巷煤柱的寬度與回采巷道支護、維護成本、安全生產以及煤炭回收率密切相關，正確選擇煤柱寬度，對保證巷道穩定至關重要。目前，我國部分煤礦依靠經驗來確定煤柱留設寬度，缺乏科學性和針對性，往往不是浪費煤炭資源，就是在掘進回采過程中巷道難以維護[1]。因此，如何合理、科學確定護巷煤柱，對煤礦安全高效生產意義重大。文章以興義煤田糯東煤礦12003回風巷沿空掘巷為工程背景，確定興義煤田護巷煤柱留設寬度，對類似巷道煤柱留設具有指導意義。

1 概況

糯東井田位于貴州省普安縣南部，主要可采煤層四層，分別為17、19、20、26號煤層，平均厚度分別為4.3 m、2.04 m、1.99 m、2.81 m。糯東井田屬煤與瓦斯突出礦井，各煤層煤塵均不具有爆炸危險性。12003工作面位于礦井一采區北翼20號煤層，開采深度498 m。工作面左側為12001采空區，工作面上覆為11705、11703采空區及11705底抽巷，煤層厚度3.5 m，平均傾角6°。煤層直接頂為粉砂質泥巖，平均厚度2.0 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度7.4 m；直接底為粉砂質泥巖，平均厚度11.1 m；基本底為細砂巖，平均厚度2.8 m。

2 煤柱合理留設寬度理論分析

巷道掘進后，煤柱上覆巖層應力將重新分布，煤柱內部一定范圍內形成支承壓力區域。在上覆巖層應力作用下，煤柱邊緣一定范圍內的煤體已產生破壞[2]。煤柱邊緣處支承壓力為零，支承壓力隨煤柱內部深度增加也慢慢增大，最終達到支承壓力峰值，如圖1所示。從煤柱邊緣到應力峰值這一區域，煤巖體應力已超過了屈服點，形成煤柱的屈服區，如圖1中r范圍所示。屈服區范圍內的煤柱煤體由于已處于屈服狀態，煤體無法對上覆巖層形成有效支撐。屈服區內側的煤巖體所受的應力在屈服點以下，變形較小，處于彈性變形狀態。這個區域被屈服區所包圍，并受屈服區的約束，稱為煤柱核區或彈性核區。煤柱核區作為煤柱的主要承載區域，能有效對上覆巖層形成承載作用[3]。因此，若要保證煤柱煤體的穩定，必須保證煤柱內有合理寬度的彈性核區。

圖1 煤柱受力分析圖

合理煤柱的留設寬度是煤柱兩側極限平衡區寬度和中心彈性區煤體的臨界尺寸之和，每側極限平衡區的大小與該側的采動情況密切相關。合理的最小煤柱寬度B為：

式中：X1為上區段工作面開采后在煤體邊緣形成的塑性區寬度；X2為巷道開挖后在煤柱側形成的塑性區寬度；X3為煤柱內部的穩定核區，根據煤柱穩定的基本條件可取X1+X2的20%～30%。

（1）根據極限平衡理論，可根據式（2）得出采空區側煤柱的塑性區范圍。

式中：M為區段平巷高度，m；ε為三軸應力系數，ε=（1+sinφ）/（1-sinφ）；φ為煤體內摩擦角；K為應力集中系數；γ為巖層平均密度，t/m3；H為巷道埋深，m；C為煤體黏聚力，0.45～0.75 MPa；P為上區段平巷支架對下幫的支護阻力(在采空區側取0），kN/m。f為護巷煤柱與煤層頂底板接觸摩擦系數，一般取值為0.125。

（2）沿空掘巷，巷道開挖后巷道側圍巖在應力重分布情況下產生塑性變形。運用極限平衡理論，在各向等壓條件下，圓形巷道圍巖塑性區半徑Rp的計算公式為：

式中：Ro為圓形巷道半徑（方形巷道可取寬的1/2）；P為上覆巖層壓力，P=KγH；γ為上覆巖層的平均容重；pi為支護作用力，取0.5 MPa。

則X2=RP-R0。

（3）X3為煤柱內部的穩定核區，按最不利原則，取X1+X2的30%。

20煤底板標高1140～1425 m，埋深約451～650 m。目前12003回風順槽埋深約為498 m。對于20#煤，巷道斷面寬5 m，則Ro=2.5 m，采高M=2.0 m，φ=28°，γ=2.5 t/m3，H=498 m，C=0.75 MPa。由此求出極限平衡區寬度為：X1=2.08 m。隨著不同的應力集中系數變化，巷道煤柱的合理留設寬度以及巷道側的塑性區寬度如圖2。

圖2 巷道煤柱的合理留設寬度

由圖2可知當應力集中系數為1時，即當巷道處于原巖應力條件下時，巷道側塑性區的發育寬度為2.8 m，合理的煤柱留設寬度為9.11 m；而當應力集中系數在2～2.5時，巷道側塑性區的發育寬度為5.2～6.2 m，合理的煤柱留設寬度為15～17 m。當應力集中系數在3～3.5時，合理的煤柱留設寬度為20～25 m。因此，在采動影響下區段煤柱的合理寬度應至少為20 m。

3 煤柱合理留設寬度數值分析

根據糯東煤礦的實際地質情況，采用UDEC建立沿空掘巷數值模型，對煤柱留設寬度分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m以及30 m的情況下的煤柱變形情況以及采動應力分布情況進行考察。煤巖體力學參數取值見表1。

表1 巖體力學參數表

3.1 煤柱塑性區發育情況

沿空巷道在不同煤柱寬度下塑性區發育情況如圖3。圖中黑色表示塊體處于屈服狀態，灰色表示塊體在計算過程中曾進入過塑性區，可以忽略。

由圖3（a）～（c）可知當區段煤柱在5～15 m時，區段煤柱內無彈性核區，無法有效承載上覆巖層重量，導致煤柱幾乎全部處于屈服狀態，此時，煤柱在上覆巖層的重力作用下圍巖煤壁向巷道內部鼓出。同時，由于煤柱承載能力不足，使得頂板巖層下沉變形較為嚴重。

由圖3（d）～（f）可知當區段煤柱寬度達到20～30 m時，區段煤柱內彈性核區范圍慢慢變大，說明煤柱對上覆巖層的承載能力逐漸增強，尤其是當煤柱寬度達到25～30 m時，如圖3（e）、（f），區段煤柱內出現了大面積的彈性核區，能夠有效地對上覆巖層形成支撐作用。

圖3 不同區段煤柱寬度下煤柱塑性區發育情況

3.2 不同煤柱留設寬度采動應力分布

為監測不同煤柱留設寬度下采動應力分布情況，在模型的煤層中布置有測線，在計算完成后輸出測線的采動應力分布狀態如圖4。

圖4 不同區段煤柱寬度下采動應力分布情況

由圖4（a）～（c）可知當區段煤柱在5～15 m時，區段煤柱內由于無彈性核區，導致煤柱內部采動應力集中呈急劇增加的三角形形狀，且當煤柱留設寬度為5～10 m時可以看出其內部應力集中峰值存在波動情況，如圖4（a）～（b）所示，說明此時煤柱狀態為不穩定狀態，從而導致了煤柱內部應力峰值出現波動。隨著留設煤柱寬度的增加，煤柱內部應力集中狀態慢慢趨于平緩，如圖4（c）～（d）所示。當煤柱留設寬度達到25～30 m時，煤柱內部應力集中狀態不再呈三角形狀態，而是呈現梯形狀態，說明此時區段內部已經出現有明顯承載作用的彈性核區，此時煤柱留設寬度較為合理。

4 應用效果

根據理論分析和數值模擬結果，確定12003回風巷護巷煤柱留設寬度為30 m，采用錨網索+M鋼帶聯合支護。錨桿采用Ф22 mm×2500 mm高強滾絲錨桿，頂部采用Ф21.8 mm×8200 mm鋼絞線，幫部采用中Ф21.8 mm×4200 mm鋼絞線，錨索配合δ16-300×300 mm錨索托盤支護。每50 m設置一個監測斷面，監測顯示距巷道迎頭40 m范圍內巷道位移變化量最大，每天平均變形速率50 mm/d，150 m后趨于平穩，每天平均變形速率5 mm/d。至巷道掘進完成，沿空幫最大移近量236 mm，實體幫最大移近量176 mm，頂板最大下沉量69 mm，底鼓量最大226 mm，能夠滿足生產需要。

5結論

采用理論分析與數值分析相結合的方法對糯東煤礦12003回風順槽的沿空掘巷煤柱留設寬度進行了分析，主要得到以下結論：

（1）若要保證煤柱煤體的穩定，必須保證煤柱內有合理寬度的彈性核區。

（2）根據糯東煤礦12003回風順槽實際地質情況，當煤柱留設寬度達到25～30 m時，煤柱內部應力集中狀態不再呈三角形狀態，而是呈現梯形狀態，說明此時區段內部已經出現有明顯承載作用的彈性核區，此時煤柱留設寬度較為合理；當煤柱留設寬度15～25 m時，需對煤柱進行及時加強支護，方能保證煤柱穩定；而當煤柱留設寬度小于15 m時，煤柱幾乎不能保持穩定。