綜放工作面護巷煤柱的留設研究與控制技術

劉建軍，張 焦，靖曉穎

(1.開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000；2.中國礦業大學(北京)，北京 100083)

煤炭資源是我國工業化發展的資源基礎，隨著我國社會經濟的發展，資源需求也隨之日益增加，煤炭資源在我國能源體系中的地位至關重要[1-6]。針對綜放工作面留設合理的護巷煤柱尺寸問題，許多學者進行了大量的研究。趙賓等[7]、王康等[8]研究了煤柱上方基本頂的斷裂形式及多次采動的活動規律確定了煤柱的尺寸；宋志強[9]、石超弘等[10]研究了不同寬度護巷煤柱的應力變化規律以及破壞范圍，最終確定綜采工作面的護巷煤柱寬度；侯朝炯等[11]、柏建彪等[12]、梁家豪[13]、張博等[14]研究了巷道圍巖的運動演化規律及巷道與二次采動之間的聯系，并最終確定護巷煤柱的尺寸；孔令海等[15]在厚煤層中采用地震監測處理系統，依據監測系統的震蕩運動趨勢，分析巖層的運動規律并確定煤柱寬度；韓承強等[16]在煤柱內布置壓力監測點，并進行鉆孔窺視煤柱內的裂隙分布，最終設計了四種煤柱尺寸的方案；張廣超等[17-18]研究關鍵層對巷道、煤柱的影響程度，分析主應力差及塑性區的分布規律，最終確定合理護巷煤柱寬度；張科學等[19]分析了采空區側向的垂直應力與峰值的位置，并進行了理論計算與模擬，確定了合理的護巷煤柱尺寸，研究成果成功應用于礦山工作面中。

以上研究成果具有重要的指導意義，本文以串草圪旦煤礦為研究背景，串草圪旦煤礦的6102工作面煤層厚度較大，煤層平均厚度為12.9 m。針對煤層厚度較大、護巷煤柱過大等問題，運用理論分析、數值模擬與現場試驗等方法確定合理的護巷煤柱寬度及支護參數。

1 工程概況

串草圪旦煤礦的地形總體呈西北高、東南低的趨勢，地表標高在950～1 150 m之間，煤層平均埋深150 m。6102工作面位于一水平一帶區6煤層，6102工作面往東無采掘工程，往西為6103采空區，往南無工程。6102工作面的煤層厚度在10.80～15.70 m之間，平均煤層厚度為12.90 m。 老頂為淺灰色細砂巖，厚度為18.31 m，直接頂為褐灰色粉砂巖，厚度為3.30 m，直接底為褐灰色粉砂巖，厚度為4.86 m，老底為灰色粗砂巖，厚度為8.80 m。 工作面走向長2 055 m，傾斜長134 m。 6102工作面的軌道巷道和輔運巷道沿煤層底板布置，巷道斷面尺寸為5.0 m×3.6 m，計劃留設的護巷煤柱寬度為18 m。6102工作面布置圖如圖1所示，力學參數見表1。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Layout of working face

表1 6102工作面巖體力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock massin 6102 working face

2 護巷煤柱的穩定性分析

綜放工作面的護巷煤柱主要受2個相鄰工作面的采動影響，護巷煤柱在留設初期主要受上一個采空區形成的側向應力影響(圖2)。上區段工作面的回采使得實體煤柱側產生塑性區，在上區段采空區穩定后，由于布置沿空巷道而對圍巖造成再次破壞，使得煤柱邊緣側的塑性區范圍再一次擴大，煤柱彈塑性區的分布形式為兩側塑性區，中間彈性區。

圖2 煤柱彈塑性區及應力分布圖Fig.2 Elastic plastic zone and stress distributiondiagram of coal pillar

煤柱保持穩定的寬度計算公式見式(1)。

B=x0+x2+x1

(1)

式中：B為煤柱寬度，m；x2為煤柱彈性核寬度，m；x0為極限平衡寬度，m；x1為采準巷道在煤柱側形成的塑性區寬度，m。

(2)

式中：K為應力集中系數，K=2.4；φ為煤層內摩擦角，φ=29°；A為測壓系數，A=0.29；C為內聚力，C=1.2 MPa；Px為支護強度，Px=0；M為煤層厚度，M=12.9 m；H為埋深，H=150 m。

根據上述公式計算可以得出x0=5.54 m。取煤柱兩側塑性區寬度x0=x1，x2按照工作面端頭采高取值為3.86 m，理論計算煤柱合理寬度B為14.68 m。

3 合理煤柱寬度數值模擬

3.1 模擬方案

基于串草圪旦煤礦的地質條件，合并巖性相近的巖層，采用FLAC3D數值模擬軟件針對串草圪旦煤礦的6102工作面和6103工作面進行模擬，模型尺寸長×寬×高=400 m×150 m×70 m，如圖3所示。模型四周邊界施加水平約束力，下部邊界固定，采用Mohr-Coulomb屈服準則，上邊界施加載荷為2.11 MPa用以模擬上覆巖重。依據式(1)和式(2)的計算結果，設計6102工作面的護巷煤柱寬度分別為13 m、14 m、15 m和18 m。

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 上區段采空區側向應力及塑性區分布規律

3.2.1 上區段采空區側向應力分布

6103工作面回采完畢后，其側向應力分布如圖4所示。由圖4可知，6103工作面采空區的側向應力分布為高位應力場、低位應力場形式，低位應力場分布在6103工作面采空區附近，而高位應力場分布在煤層厚度的中上部位置。低位應力場的峰值應力為7.68 MPa，距6103工作面采空區幫部2.0 m；高位應力場的峰值應力為7.65 MPa，距6103工作面采空區幫部4.8 m。

圖4 6103工作面采空區側向應力分布Fig.4 Lateral stress distribution in goafof 6103 working face

3.2.2 上區段采空區側向塑性區分布

6103工作面回采后，其側向塑性區分布如圖5所示。由圖5可知，在6103采空區的側向實體區域，塑性區距采空區側向煤壁的距離為2～5 m。

圖5 6103工作面采空區側向煤壁塑性區分布Fig.5 Distribution of lateral coal wall plastic zonein goaf of 6103 working face

3.3 接續工作面巷道掘巷期間圍巖穩定性規律

3.3.1 巷道掘進期間圍巖應力分布規律

輔運巷道掘進期間，護巷煤柱寬度分別為13 m、14 m、15 m和18 m時，6102工作面的煤柱應力分布如圖6所示。由圖6可知，隨著護巷煤柱寬度的增大，6103工作面采空區側的低位應力場的峰值應力由7.80 MPa降至7.58 MPa，應力峰值位置保持在距6103工作面采空區側向煤壁2.0 m左右的位置；6102工作面輔運巷道側的峰值應力由7.63 MPa降至6.84 MPa，應力峰值位置由距6102工作面輔運巷道幫部2.0 m左右的位置降至1.5 m左右的位置。

圖6 不同寬度護巷煤柱應力分布Fig.6 Stress distribution of coal pillars in roadway protection with different widths

不同煤柱寬度條件下，煤柱內的垂直應力分布規律如圖7所示。由圖7可知，隨著護巷煤柱寬度的增大，6103工作面采空區側的應力分布基本無明顯變化，而6102工作面輔運巷道側的應力分布呈降低趨勢。護巷煤柱寬度為13 m時，煤柱中部應力發生疊加，在高應力作用下，煤柱穩定性較差。隨著護巷煤柱寬度大于13 m，煤柱中部應力疊加現象為降低趨勢，可以增強護巷煤柱的穩定性，說明護巷煤柱內的彈性核寬度增大。

圖7 不同護巷煤柱寬度內垂直應力分布規律Fig.7 Vertical stress distribution law of coal pillarsin roadway protection with different widths

3.3.2 巷道掘進期間圍巖塑性區分布規律

留設護巷煤柱的寬度分別為13 m、14 m、15 m、和18 m時，護巷煤柱內的彈性區和塑性區分布如圖8所示。由圖8可知，當煤柱寬度分別為13 m、14 m、15 m和18 m時，煤柱兩側的平均塑性區寬度之和分別為7.5 m、7.0 m、6.5 m和6.5 m，煤柱的彈性核寬度分別為5.5 m、7.0 m、8.5 m和11.5 m。當護巷煤柱寬度大于15 m時，護巷煤柱寬度的增大對于煤柱兩側塑性區的寬度并沒有影響，此時煤柱寬度的增大只是增大了彈性核的寬度，雖然有利于護巷煤柱的穩定性，但卻增大了煤炭資源的損失。

圖8 不同護巷煤柱寬度的塑性區分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal pillars in roadway protection with different widths

3.4 工作面回采期間的圍巖穩定性

3.4.1 工作面回采期間的應力分布規律

在6102工作面回采過程中，受到工作面采動影響，護巷煤柱受力狀態會發生明顯變化。在不同寬度的護巷煤柱條件下，6102工作面回采過程中，回采工作面前方0 m處的護巷煤柱的應力分布特征如圖9所示。由圖9可知，隨著護巷煤柱寬度的增大，在回采工作面前方0 m處，6103工作面采空區側的峰值應力由8.9 MPa降至8.6 MPa，應力峰值位置保持在距6103工作面采空區側向煤壁1.5 m左右的位置；6102工作面側的峰值應力由10.10 MPa降至8.68 MPa，應力峰值位置由距6102工作面輔運巷道幫部2.5 m左右的位置降至2.0 m左右的位置。

圖9 6102工作面回采前方0 m處應力云圖Fig.9 Stress nephogram at 0 m in front of mining in 6102 working face

在回采期間，護巷煤柱內的垂直應力分布規律如圖10所示。由圖10可知，隨著護巷煤柱寬度的增大，護巷煤柱中部的應力集中程度呈降低趨勢；在上區段6103工作面采空區側，護巷煤柱的應力分布無明顯變化；在接續工作面側，護巷煤柱的應力分布呈下降趨勢；接續工作面側的峰值應力大于上區段6103工作面采空區側的峰值應力。

圖10 回采工作面附近護巷煤柱應力分布Fig.10 Stress distribution of section coal pillarsin roadway protection near working face

3.4.2 工作面回采期間的塑性區分布規律

護巷煤柱受6102工作面的采動影響，因此分析6102工作面回采期間對護巷煤柱的塑性區分布的影響。圖11為6102工作面回采期間，工作面附近不同寬度的護巷煤柱的塑性區分布圖。由圖11可知，接續工作面回采期間，當護巷煤柱寬度為13 m時，回采工作面處的護巷煤柱內塑性區已貫通；當護巷煤柱寬度分別為14 m、15 m、18 m時，護巷煤柱中的彈性核寬度分別為2.5 m、4.5 m和10.5 m。

圖11 工作面附近不同護巷煤柱寬度的塑性區分布Fig.11 Plastic zones distribution of coal pillars in roadway protection with different widths near the working face

3.5 護巷煤柱合理寬度的確定

理論和實踐結果表明，護巷煤柱合理寬度確定應滿足以下原則：①留設煤柱的位置應盡可能處在應力較低的區域，避免高應力破壞煤柱的完整性；②留設的煤柱應能承受多次采動影響，避免發生采空區漏風自然發火、瓦斯爆炸等次生災害；③應盡可能減少煤炭資源浪費，提高煤炭資源采出率。

綜上所述，串草圪旦煤礦計劃留設的護巷煤柱寬度為18 m時，護巷煤柱穩定，但增加了煤炭的損失；留設護巷煤柱寬度為13 m時，護巷煤柱寬度過短，在接續工作面采動影響下，護巷煤柱內的塑性區貫通；留設的護巷煤柱寬度在14～18 m之間時，回采工作面附近的護巷煤柱內存在彈性區，因此合理的留護巷煤柱寬度為14 m。

4 巷道圍巖控制技術

4.1 巷道支護參數

輔運巷道的頂板采用?22 mm×2 200 mm的左旋高強螺紋鋼錨桿，間距×排距為1 100 mm×1 000 mm，每排5根；頂板選用長度為8.3 m，直徑為17.8 mm的7股高強度低松弛鋼絞線錨索，間距、排距為1 800 mm×2 000 mm，每排兩根；巷道兩幫采用?20 mm×2 000 mm的右旋等強金屬錨桿，兩幫每排各3根，間距、排距為1 200 mm×1 000 mm，巷道支護布置如圖12所示。

圖12 支護參數斷面圖Fig.12 Cross section of support parameters

4.2 巷道支護控制實踐

6102工作面回采期間，監測工作面前方的輔運巷道的變形量。當工作面自開切眼推進150 m時，對工作面前方的輔運巷道表面變形進行測量。巷道的測量范圍為自工作面至前方100 m處，巷道每隔5 m進行一次變形測量。輔運巷道的圍巖變形量如圖13所示。由圖13可知，在工作面的采動影響下，附近的6102工作面輔運巷道的頂板下沉量為68.8 mm，底板鼓起量為35.4 mm，煤柱側的移近量為88.6 mm，工作面回采側的移近量為56.4 mm。工作面的超前影響范圍在40 m左右。因此，現場監測表明，6102輔運巷道留設14 m煤柱及采取的支護技術是合理有效的。

圖13 工作面前100 m范圍運輸巷道圍巖變形量Fig.13 Surrounding rock deformation of transportationroadway within 100 m range in front of working face

5 結 論

1) 掘巷期間，隨著護巷煤柱寬度的增大，6103工作面采空區側的應力分布基本無明顯變化，而6102工作面輔運巷道側的應力分布為降低趨勢，煤柱中部應力疊加現象為降低趨勢，可以保持護巷煤柱的穩定性。

2) 掘巷期間，當護巷煤柱寬度大于15 m時，護巷煤柱兩側的塑性區范圍基本無明顯變化，護巷煤柱內的彈性區寬度隨著護巷煤柱寬度的增大而增大。

3) 回采期間，留設護巷煤柱寬度為13 m時，護巷煤柱寬度過短，在接續工作面采動影響下，護巷煤柱內的塑性區貫通；留設的護巷煤柱寬度在14～18 m之間時，回采工作面附近的護巷煤柱存在彈性區，綜合考慮，合理的護巷區段煤柱的寬度為14 m。

4) 現場實踐證明巷道圍巖得到了很好的控制。