西掌礦15103回風巷迎采掘巷合理煤柱寬度研究

徐海蕓，趙 凱，張彥奇

(山西長治聯盛煤業投資有限公司，山西 長治 047100)

沿空掘巷技術在我國得到了廣泛的應用，對于順序開采接續的生產礦井，在上區段工作面開采時就迎著采動方向掘巷，稱之為迎采對掘[1-2]。迎采對掘巷道在動壓的影響下容易產生大變形，因此選取合理的煤柱寬度使巷道避開支承應力峰值區，對增加圍巖穩定性具有重要意義。

在迎采動掘巷圍巖穩定控制方面，大量的學者開展了研究。陳曉祥等[3]對迎采動掘巷期間的圍巖變形和支護技術進行研究，提出采用5 m窄煤柱護巷及優化支護參數，能夠有效控制巷道圍巖變形。袁振華[4]對迎采動掘巷圍巖應力分布特征及控制技術進行研究，得出采用8 m寬煤柱并輔以“錨網索+單體液壓支柱+π型梁”聯合支護措施，能夠保證巷道的穩定性。王潔[5]以肖家洼煤礦為工程背景，研究了迎采掘巷合理煤柱寬度和掘巷時機。李偉[6]采用理論計算和數值模擬的方法，分析了大采高工作面沿空掘巷煤柱的穩定性。

基于學者針對沿空掘巷的大量研究，采用理論分析和數值模擬的方法研究西掌煤礦迎采動掘巷的合理煤柱寬度，為相似條件礦井迎采對掘煤柱留設提供了借鑒。

1 工程背景

1.1 地質條件

西掌煤礦主采15號煤層，為簡單結構近水平煤層，平均煤厚3.71 m，埋深約為174 m，煤層直接頂為炭質泥巖(0.9～1.32 m)，老頂為K2石灰巖(8.72 m)，直接底為砂質泥巖(2.7 m)，老底為細砂巖(4.01 m)。目前正開采15102工作面，采用綜采一次采全高采煤方法，工作面寬度為160 m，推進長度約1 250 m，工作面平面布置圖如圖1所示。15103工作面作為接替工作面，正在掘進15103回風巷，巷道沿煤層頂底板掘進，巷道寬4.5 m，高4.0 m。

圖1 15102工作面采掘平面圖

1.2 迎采對掘巷道變形特征

西掌煤礦在早期開采15101工作面時，15102回風巷也為迎采動掘巷，區段煤柱留設寬度為15 m(圖1)。15102回風巷在掘巷期間就發生大變形，巷道頂底板移近量最大1.8 m，兩幫移近量最大2.5 m，導致15102工作面通風和行人困難，影響采掘接替，如圖2所示。

圖2 迎采對掘巷道大變形

分析造成15102回風巷大變形的主要原因是區段煤柱寬度留設不合理，導致巷道處在15101工作面的側向支承應力峰值區域，覆巖大結構形成的高應力環境造成15102回風巷支護困難。因此，為防止接替工作面發生類似的情況，在回采15102工作面時掘進15103回風巷需要留設合理的煤柱寬度，達到優化應力環境、控制巷道大變形的目的。

2 迎采動掘巷煤柱寬度理論計算

迎采動掘巷留設的煤柱寬度太小，則巷道開掘以后煤柱在采動和掘進雙重影響下容易發生破碎，支護的錨桿在破碎煤體中錨固力下降，減弱了錨桿的支護效果。因此根據理論計算[7]，合理的窄煤柱寬度B的計算如圖3所示。

圖3 合理沿空掘巷煤柱寬度計算

計算公式為：

B=x1+x2+x3

(1)

式中：x1為由于上區段工作面采動煤柱幫形成的破碎區范圍，其值可通過公式(2)計算。

(2)

式中：M為煤層采厚，m；A為側壓系數，A=μ/(1-μ)，μ為泊松比；φ0為煤層界面的內摩擦角，°；C0為煤層界面的內聚力，MPa；k為應力集中系數；γ為巖層容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；Px為對煤幫的支護阻力；x2為巷道窄煤柱幫錨桿有效長度，再乘以0.15的安全系數，m；x3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩定性系數，按0.2(x1+x2)計算。

鑒于西掌煤礦15103工作面回風巷地質條件，代入公式(2)計算。其中：M=4.5 m，A=0.4，φ0=30°，k=2.2，γ=25 kN/m3，H=170 m，C0=2.0 MPa，Px=0.1。求得煤柱合理寬度B=5.2 m。該計算結果僅是從煤柱破壞特征出發，仍需采用數值模擬方法來分析不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形特征。

3 迎采動掘巷煤柱寬度數值模擬分析

3.1 數值模型建立

利用UDEC模擬軟件，分析15103回風巷在不同煤柱寬度下，側向支承應力、煤柱內應力和圍巖變形規律，確定合理的區段煤柱的寬度，為15103回風巷圍巖控制提供依據。結合15103回風巷特定的生產地質條件建立數值計算模型，如圖4所示。模型尺寸為200 m×33.4 m(長×高)。將模型左、右及底部邊界固定，根據巷道埋深170 m，在模型頂邊界施加3.5 MPa的均布載荷，側壓系數取1.0。巷道斷面大小為4 m×4.5 m(長×寬)，分別分析在3 m、5 m、8 m及15 m煤柱寬度下巷道圍巖變形特征。

圖4 數值模型圖

3.2 側向支承應力演化規律

15102工作面側向支承應力分布特征如圖5所示。15102工作面回采結束后，采空區側煤體內垂直應力從0.6 MPa增加到9.5 MPa，隨后又降低至原巖應力4.25 MPa。峰值出現在距離采空區15 m處，峰值大小為9.5 MPa；在距離采空區5 m范圍煤體內垂直應力有所下降，應力為3.5 MPa；在距離采空區23 m處，煤體內垂直應力降至原巖應力，應力為4.25 MPa。因此，留設煤柱寬度15 m時巷道處在支承應力峰值區，容易產生大變形。

圖5 采空區側煤體垂直應力分布

3.3 煤柱內應力分布規律

模擬得到15103回風巷不同寬度煤柱掘進時的內應力變化曲線，如圖6所示。煤柱內垂直應力隨著煤柱寬度的增加而逐漸增大。煤柱寬度3 m時，煤柱整體出現了塑性破壞，該條件下應力峰值(3.5 MPa)小于原巖應力值，煤柱承載能力喪失；煤柱寬度5 m時，煤柱內應力峰值(8.5 MPa)大于原巖應力值，表明煤柱具有一定的承載能力；煤柱寬度8 m時，煤柱內應力呈單峰狀，應力峰值(12 MPa)大于原巖應力值，峰值位于巷道前方6.2 m位置。煤柱寬度15 m時，煤柱內應力呈單峰曲線峰值為16 MPa，其峰值出現在巷道6 m處。

圖6 煤柱內垂直應力分布曲線圖

3.4 巷道圍巖變形特征

模擬得到15103回風巷不同寬度煤柱下的圍巖變形特征，如圖7所示。煤柱變形量隨著煤柱寬度的增加呈現“減小—增大”的特征。煤柱寬度為3 m時，煤柱整體破壞較為嚴重，巷道實煤體最大變形量超過600 mm，采空區側煤柱最大變形量約為400 mm；煤柱寬度為5 m時，巷道實煤體幫、煤柱幫變形量分別為190 mm、230 mm；煤柱寬度為8 m時，巷道實煤體幫、煤柱幫變形量分別為210 mm、480 mm；煤柱寬度為15 m時，巷道實煤體幫、煤柱幫變形量分別為350 mm、620 mm。

圖7 不同寬度煤柱圍巖變形曲線圖

根據上述對煤柱寬度的研究，可知煤柱寬度為5～8 m是15103回風巷迎采掘巷的合理煤柱寬度。考慮到回采過程中受超前支承壓力影響，以及15103工作面的液壓支架布置數量等實際問題，為增大掘進及回采過程中巷道的安全系數，最終確定15103回風巷的護巷煤柱寬度為7 m。

4 現場應用

15103回風巷留設7 m煤柱迎采動掘進過程中的圍巖變形量，如圖8所示。

圖8 15103回風巷圍巖變形

由圖8可知，巷道的變形量主要在距離迎頭100 m范圍內產生，頂底板移近量最大為208 mm，兩幫移近量最大為282 mm，相比于留設15 m煤柱降低了88%，驗證了理論分析和數值模擬的合理性。

5 結 語

1) 西掌煤礦迎采掘巷留設15 m煤柱時，巷道頂底板及兩幫移近量最大值分別為1.8 m、2.5 m，煤柱寬度不合理是引發大變形的主要原因。

2) 理論計算結合數值模擬研究表明合理的迎采動掘巷煤柱寬度應在5～8 m范圍，最終確定15103回風巷迎采掘巷的煤柱寬度為7 m。

3) 15103回風巷留設7 m煤柱迎采動掘巷，頂底板移近量最大為208 mm，兩幫移近量最大為282 mm，相比于留設15 m煤柱降低了88%，有效控制動了壓巷道的大變形。