銀洞溝礦綜采沿空掘巷窄煤柱寬度確定

姚 輝

( 寧夏王洼煤業有限公司銀洞溝礦，寧夏 固原 756504)

0 前 言

在我國煤炭資源賦存中，厚煤層占據比重較大，綜采技術目前廣泛應用于厚煤層開采。在綜放開采中，由于采高較大，為避免資源的浪費，提高煤炭采出率，寬煤柱護巷技術逐漸被窄煤柱取代。我國煤礦地質條件復雜，差距大，為沿空掘巷帶來較大困難，煤柱寬度過小，側向高支承壓力易造成煤柱失穩破壞，寬度過大會造成高水平應力集中，使巷道變形難以控制，合理的煤柱寬度需要保證煤柱自身穩定性又需避免煤柱作為主要承載體，所以沿空掘巷窄煤柱的關鍵是選擇合理的煤柱寬度[1-7]。

1 工程概況

110103工作面開采方式為綜采，開采煤層為1煤，工作面西鄰110201工作面(已采完)，該工作面設計南北走向長1 296 m，斜長237 m，煤層平均2.6 m，工作面傾角16°～18°。綜合柱狀圖見圖1。

圖1 綜合柱狀圖

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度確定

2.1 老頂在實體煤側斷裂位置的確定

工作面回采后老頂破斷下沉，老頂的破斷位置基本上就是煤體彈塑性交界處，破斷位置距沿空側煤壁距離X0可用式(1)計算：

(1)

銀洞溝礦110103工作面采高m=3.26 m，測壓系數A=0.493，上覆巖層平均容重γ=25 kN/m3，煤的內摩擦角φ=35°、內聚力C=3.12 MPa，應力集中系數K=2.9，巷道埋深H=403 m，殘余錨網支護阻力Ps=0.1 MPa，帶入公式(1)得X0=2.27 m。

2.2 煤柱寬度理論分析

對合理煤柱留設寬度進行研究時，要考慮其自身穩定性和巷道穩定性，這是保證回采工作面安全生產的重要因素。通過極限平衡理論經驗公式計算煤柱寬度：

(2)

式中，x0為由于110103工作面回采使煤柱內出現的塑性區寬度，m；x1為桿體處于煤柱內的有效長度，2 m；x2為與煤厚有關的系數，取0.3～0.5(x0+x1)，m。得到B=5.55～6.4 m。煤柱寬度設計示意圖見圖2

圖2 煤柱寬度設計示意圖

3 合理煤柱寬度數值模擬

3.1 掘巷后不同寬度煤柱巷道圍巖應力分布規律

垂直應力分布見圖3，由圖3可以得出以下結論。

1)巷道掘進后，巷道煤柱側和實體煤側均出現應力集中，隨著煤柱寬度增加，煤柱整體應力水平在逐漸升高，其中，峰值應力明顯增大，同時峰值應力作用范圍越來越大。對比實體煤側，當寬度從5 m增加到6 m，其峰值應力從32.4 MPa增加到32.9 MPa，但從6 m增長至7、8、9 m時，峰值應力隨煤柱寬度的增長而減小。說明煤柱的承載能力在進一步增強，開始代替實體煤一部分承擔載荷工作，煤柱失穩破壞的原因就是載荷值超過煤柱極限承載力。

2)隨著煤柱寬度增加，巷道頂板深部巖層應力水平在逐步降低，高水平應力影響區域逐漸縮小。巷道底板深部巖層則相反，應力水平、高水平應力作用區域隨煤柱寬度增長而增大。巷道頂底板深部巖體的高應力由于巷道掘進向巷道淺部圍巖轉移釋放，引起淺部圍巖變形。

(a)5 m

(b)6 m

(c)7 m

(d)8 m

(e)9 m

3.2 掘巷后不同寬度煤柱巷道表面位移情況

表面位移統計見圖4，從圖4分析可得以下結論。

1)巷道底鼓量隨煤柱寬度的增長而減小，且變化量和變化率小，5 m寬度為最大底鼓量8 mm，在9 m時，底板底鼓最小，幾乎無變化，說明底板內整體應力水平較低，不足以引起大變形。

2)巷道頂板下沉量隨煤柱寬度增長而減小，變化率小，最大下沉量在5 m寬度為204 mm，9 m時最小為127 mm，說明巷道頂板受采空區頂板下沉作用力影響越來越小。

3)巷道煤柱幫內移量隨煤柱寬度增長而增大，且6～7 m有較大幅度的變化，5 m寬度內移量達到最小181 mm，最大內移量在8 m為290 mm，在9 m出現內移量減小的趨勢，說明當寬度從8 m開始增長時，煤柱承載力、穩定性有進一步增強。

4)巷道實體煤幫的變形受煤柱寬度變化影響較小，5 m煤柱寬度時，實體煤內移量最大154 mm，9 m寬度時內移量最小92 mm，內移量隨寬度增加呈小幅度減小。

5)對比煤柱幫和實體煤幫，巷道受非對稱載荷作用，隨著煤柱寬度增加，煤柱幫的變形量與實體煤幫變形量的差距越來越大，說明隨著煤柱內應力水平逐步增高，煤柱塑性區得以擴展，煤柱穩定性降低，實體煤則相反。

圖4 不同寬度煤柱巷道表面位移

4 結 語

1)理論分析表明：老頂斷裂位置距離采空側煤壁2.27 m，綜合考慮巷道和煤柱穩定性、可支護性，根據煤柱寬度理論計算公式，確定煤柱寬度5.55～6.4 m。

2)利用FLAC3D數值模擬軟件，根據采空區側向應力分布規律，建立不同寬度煤柱模型，探究掘巷后煤體應力分布特征和巷道淺部圍巖變形特點，得出合理煤柱寬度。

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