陽煤二礦沿空掘巷小煤柱合理寬度研究

耿永飛

（陽煤集團壽陽景福煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

1 概 況

陽煤集團二礦81215 綜放工作面主采15 號煤，煤層厚度5.08～7.07 m，平均6.40 m，煤層傾角2°～27°，平均4°，煤層屬復雜結構煤層，含夾石2～4 層，較穩定的夾石有2 層，自上而下結構依次為：距煤層頂板0.24 m 左右的八寸石，平均厚度為0.06 m；距煤層底板2.8 m 左右的夾矸，平均厚度為0.1 m，夾石巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板結構Table 1 Coal seam roof and floor structure

81215 工作面位于+470 水平十二采區，工作面東部為81219 工作面采空區，西部為尚未掘進的81213 工作面。工作面埋藏深度+373～+536 m，走向長度1 355 m，傾斜長度258 m。工作面采用綜采放頂煤的方法進行開采，割煤高度為2.6～2.8 m，放煤高度3.6~3.8 m。

目前該礦一直沿用25～30 m 左右的寬煤柱護巷，大量的寬煤柱難以回收，使得煤炭資源損失嚴重。為了在保證礦井安全高效回采的前提下，盡可能的提高煤炭資源的回收率，需對區段煤柱的合理留設尺寸進行優化研究。決定在81215 綜放工作面回風巷進行小煤柱沿空掘巷試驗。

2 合理煤柱寬度優化設計

2.1 合理煤柱寬度的理論分析

小煤柱沿空掘巷能否達到預期效果的關鍵在于選取的煤柱寬度是否合理，根據窄煤柱巷道圍巖應力環境，小煤柱留巷需滿足以下要求：①支護采用的錨固結構具有足夠的強度，保證留巷段圍巖的完整性，防止松動圈進一步擴大；②盡可能多的提高煤炭資源回收率，但需保證巷道的穩定性；③通過選取合理的煤柱寬度，將巷道置于側向應力降低區內，有利于對巷道進行維護；④留設的煤柱應具有足夠面積的彈性核區，能夠有效承載覆巖壓力，并隔絕采空區有害氣體溢出。

上區段工作面回采后，應力重新分布，自采空區邊緣起，側向支承應力先呈增高趨勢，后逐漸降低衰減，最終穩定至原巖應力狀態。根據側向支承應力的分布特征將區段煤柱劃分為3 個區域，分別為本、工作面開挖后巷道圍巖破壞區X1、上區段采空區邊緣由于采動應力形成的塑性破壞區X2、煤柱內的彈性核區X3，如圖1 所示。

圖1 小煤柱分區示意Fig.1 Small coal pillar zoning diagram

根據側向支承應力分布特征，巷道應盡量布置在應力降低區或原巖應力區，可通過極限平衡理論對合理小煤柱的寬度D進行計算：

其中巷道圍巖破壞區X1的計算公式為：

式中：B 為巷道寬度，m；M 為工作面埋深，m；C為圍巖黏聚力，MPa；φ為煤巖體內摩擦角，（°）。

采空區邊緣煤柱塑性區寬度X2的計算公式為：

式中：A 為側壓系數；K 為煤柱穩定系數；γ 為巖層平均體積力，N/m3；P 為上區段平巷支架對下幫的支護阻力，kN。

煤柱內彈性區X3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度富余量，一般按（X1+X2） 值的30%~50%計算。

將陽煤二礦81215 綜放工作面的相關參數帶入，得出該工作面沿空掘巷合理的小煤柱寬度為6.57～7.68 m。

2.2 合理煤柱寬度的模擬分析

2.2.1 建立模型

依據81215 綜放工作面的實際賦存條件，采用UDEC 數值模擬軟件建立模型，模型尺寸長×高=150 m×26.2 m，利用軟件中的泰森多邊形Trigon命令將巷道及煤柱劃分為Voronoi 三角形網格。根據工作面埋深，在模型頂部施加14.0 MPa 的垂直應力以模擬覆巖壓力，側壓系數為0.8。通過邊界條件約束模型左右兩端的水平位移以及底部的垂直位移。

計算時，煤巖體的物理力學參數按表2 進行賦參。根據理論分析結果，確定出模擬中的煤柱寬度分別為6、8、10、15 m。建立的模型如圖2 所示。

圖2 數值模擬模性Fig.2 Modulus of numerical simulation

表2 煤巖體物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

2.2.2 煤柱內應力分布規律

不同煤柱寬度下煤柱內的垂直應力分布規律如圖3 所示。

圖3 煤柱內的垂直應力分布規律Fig.3 Vertical stress distribution in coal pillar

由圖3 可知，煤柱內的垂直應力隨著煤柱寬度的增加而增大，當煤柱寬度為6 m 時，煤柱內的垂直應力整體較低，其應力峰值為3.52 MPa，低于原巖應力6.13 MPa，說明此寬度下的煤柱已全部破壞，失去了承載能力；當煤柱寬度為8 m 時，煤柱內的垂直應力峰值為11.8 MPa，高于原巖應力，此寬度下的煤柱內部存在一定的彈性核區，煤柱兩邊呈塑性，具有一定的承載能力；當煤柱寬度為10 m 時，煤柱內的垂直應力呈單峰曲線式分布，峰值為19.7 MPa，高于原巖應力，峰值位置距離巷道邊緣6.5 m；當煤柱寬度為15 m 時，煤柱內應力也呈單峰曲線式分布，峰值為24.9 MPa，峰值位置距離巷道邊緣6.0 m。

2.2.3 煤柱內裂隙發育特征

不同煤柱寬度下煤柱內的裂隙發育特征如圖4所示。圖中，淺色為張拉裂隙，深色為剪切裂隙。

圖4 煤柱內的裂隙發育特征Fig.4 Characteristics of fracture development in coal pillar

由圖4 可知，隨著煤柱寬度的增加，煤柱內的裂隙閉合區（即彈性核區） 范圍逐漸擴大。當煤柱寬度為6 m 時，煤柱內的裂隙高度發育并完全貫通，不具備承載能力；當煤柱寬度為8 m 時，煤柱內出現了裂隙閉合區（彈性核區），其寬度為1.5 m，具有承載能力；當煤柱寬度為10 m、15 m 時，煤柱內的裂隙閉合區寬度分別為2.8 m、5.0 m。

2.2.4 巷道變形規律

不同煤柱寬度下的巷道變形規律如圖5 所示。

圖5 巷道變形規律Fig.5 Roadway deformation law

由圖5 可知，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增加呈先減小后增大的趨勢。當煤柱寬度為6 m時，巷道變形破壞最嚴重，其煤柱幫及實體煤幫的變形量分別為400 mm 及600 mm；當煤柱寬度為8 m 時，巷道煤柱幫及實體煤幫的變形量分別為220 mm 及190 mm；當煤柱寬度為10 m 時，巷道煤柱幫及實體煤幫的變形量分別為500 mm 及200 mm；當煤柱寬度為15 m 時，巷道煤柱幫及實體煤幫的變形量分別為590 mm 及270 mm。

2.2.5 煤柱寬度確定

根據數值模擬結果可知，6 m 寬度的煤柱整體破壞嚴重，不具備承載能力；煤柱寬度為10 m、15 m 時，煤柱內的垂直應力均高于原巖應力，且裂隙閉合區（彈性核區） 的范圍較大，承載能力較高，但應力峰值位置距離巷道較近，巷道兩幫變形破壞程度較高，使得維護較困難；煤柱寬度為8 m時，煤柱內存在彈性核區，整體較完整，具備一定的承載能力，且變形量相對較小。為盡可能的回收煤炭資源并保證巷道的穩定性，結合煤層實際地質條件，確定合理的煤柱寬度為8 m。

3 現場實踐

根據現場條件提出了81215 回風巷小煤柱掘巷的支護方案，巷道支護斷面如圖6 所示。

圖6 巷道支護斷面圖Fig.6 Roadway support section diagram

頂板布置6 根高強錨桿，直徑為22 mm，長度2 400 mm，間排距為850 mm×1 000 mm；頂錨索采用直徑18.9 mm，長度6 300 mm 的鋼絞線，每排布置2 根，間排距為1 700 mm×1 000 mm，并用鋼筋梯子梁連接錨索；兩幫支護錨桿與頂板一致，間排距為800 mm×1 000 mm，每排布置5 根，并搭接鋼筋梯子梁。

對81215 回風巷掘進時的圍巖位移情況進行監測，監測結果如圖7 所示。

圖7 巷道位移監測曲線Fig.7 Roadway displacement monitoring curve

由圖7 可知，81215 回風巷按照8 m 小煤柱掘進期間，頂底板的累計移進量為174 mm，兩幫累計移進量為75 mm，圍巖整體變形量較小，且未出現采空區有害氣體溢出的現象，保證了礦井的安全高效生產。

4 結 論

（1） 根據陽煤集團二礦81215 綜放工作面的實際工程地質條件，通過極限平衡理論計算得出合理的小煤柱寬度為6.57～7.68 m。

（2） 通過UDEC 數值模擬軟件分析了不同煤柱寬度下81215 回風巷煤柱內的應力分布、裂隙發育特征及巷道變形規律，確定出合理的小煤柱寬度為8 m。

（3） 現場實踐結果表明，8 m 寬度的小煤柱能夠有效承載覆巖壓力，掘進期間81215 回風巷的變形量較小，且未出現采空區有害氣體溢出的現象，保證了礦井的安全高效生產。