淺埋煤層沿空掘巷煤柱尺寸優化研究

宋永起

（山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島 266590）

近年來，沿空掘巷小煤柱護巷技術在我國各大礦區得到普遍應用[1-3]。在掘巷過程中，合理的煤柱尺寸是保證巷道穩定性和安全性的重要因素[4-6]。楊家村煤礦原采用留15 m 大煤柱的方式布置巷道，亟需對5 煤層沿空掘巷區段煤柱寬度進行合理優化。

1 工程背景

楊家村煤礦5 號煤層平均埋深250 m 左右，平均厚度2.07 m，屬淺埋中厚煤層。頂底板巖性如圖1。

圖1 5 煤層頂底板巖性柱狀圖

2 煤柱合理寬度理論計算

2.1 沿空掘巷煤柱支護理論依據

煤層開采以后，工作面上方的直接頂巖層隨之垮落。將工作面上方直接頂、基本頂和上方巖層看作傳遞巖梁，基本頂和上方巖層之間產生離層，工作面前方的基本頂、直接頂和上方巖層則未離層。工作面采用沿空掘巷留小煤柱護巷時，沿空巷道位于直接頂和基本頂斷裂產生的三角塊下方，此時煤柱處于側向支承壓力降低區。沿空掘巷巖層結構圖如圖2。

圖2 沿空掘巷巖層結構圖

2.2 合理煤柱寬度理論計算

根據5 煤層的具體開采條件和參數，采用圍巖極限平衡強度計算法和彈性核理論計算法對留設煤柱尺寸進行理論計算。

2.2.1 圍巖極限平衡強度計算法

極限平衡法依靠錨桿或錨索等工具的極限錨固作用，將煤柱尺寸控制在盡可能小的范圍內，在保證巷道穩定性的基礎上提高煤炭的采出率。根據巷道兩側煤體應力分布規律以及圍巖極限平衡理論，結合圖3 所示的計算簡圖，通過公式（1）、（2）計算得出合理的區段煤柱寬度B：

圖3 合理煤柱寬度計算簡圖

式中：x1為相鄰工作面回采后煤柱內的塑性區寬度，m；m為煤層開采高度，2.5 m；A為煤層側壓系數，0.5；φ為煤體內摩擦角，27.3°；C0為煤體內黏聚力，1.41 MPa；k為應力集中系數，2；H為巷道埋深，250 m；ρ為巖層的平均密度，2.4 t/m3；P0為來自相鄰工作面區段平巷的支護阻力，取P0=0；x2為錨固區長度，2.88 m；x3為安全系數，x3=K（x1+x2）=0.74～1.72 m；K為穩定性系數，0.15～0.35。

2.2.2 彈性核理論計算法

根據彈性核理論，煤柱中部應有彈性區，用于分隔兩側的塑性區，彈性區的寬度應該不小于兩倍煤層采高[7]。因此，煤柱寬度由煤柱兩側的塑性區和彈性區三部分構成，根據公式（3）可以計算出煤柱的合理寬度：

式中：X1為上區段工作面開采在煤柱中產生的塑性區寬度，m；X3為煤柱靠近巷道一側應力作用下形成的塑性區寬度，m。

根據以上討論及計算，合理煤柱尺寸為7.73 m。

綜上所述，通過極限平衡理論和彈性核理論所得5 煤層區段護巷煤柱的合理寬度為5.6～7.73 m。

3 煤柱寬度對巷道圍巖穩定性影響的數值模擬

3.1 區段煤柱沿空掘巷的模型設計及結果分析

根據巷道邊界條件和5 煤層的頂、底板情況，建立x·y·z=200 m×120 m×40 m 的FLAC3D模型。設置數值模型在前后面、左右面以及下面均為固定邊界，且無水平方向位移，即Sx=Sy=0。自模型上方施加垂直方向應力，應力大小：P=5.25 MPa。

本次模擬根據理論計算的結果5.6～7.7 m，結合現場為保證安全應用的可行性，增加寬度至10 m。在考慮均勻取值的前提下，為方便模型建立和計算，取煤柱寬度5 m、7.5 m 和10 m 三個方案進行模擬。數值模擬模型如圖4。

圖4 數值模擬模型

3.2 數值模擬結果分析

如圖5 所示，當煤柱尺寸從5 m 到10 m 變化過程中，垂直應力的最大峰值慢慢增大，這表明隨著5 煤層區段煤柱寬度的增加，其能夠承載的最大垂直應力也逐漸增加，即區段煤柱的穩定性也整體趨向于增加。與此同時，隨著區段煤柱寬度的增加，其水平應力的集中程度和影響范圍都呈現先減少后增加的趨勢，當留設的區段煤柱寬度為7.5 m 時，應力集中程度和影響范圍最小。

圖5 不同尺寸的煤柱圍巖應力分布圖

結合上文理論計算和FLAC3D數值模擬的結果綜合分析，確定5 煤層的沿空掘巷區段煤柱寬度為7.5 m。

4 煤柱尺寸優化結果分析

為驗證上述理論計算和數值模擬結果在實際生產過程中的有效性，通過在現場實際選取試驗段巷道進行頂板離層數據觀測。在距離工作面10 m、35 m、60 m、85 m 處分別布置觀測斷面進行觀測，巷道頂板離層量與工作面推進距離關系如圖6。

圖6 試驗巷道頂板離層量圖

由圖6 中可看出，開始觀測時距工作面較遠，離層量較小，當觀測點距工作面10 m 左右時，巷道頂板離層量開始顯著增加。隨著距工作面距離的逐漸減小，巷道頂板離層量不斷增大，頂板累計離層量最大達到51 mm，7.5 m 護巷煤柱的支護效果較好，能夠使圍巖得到有效控制。

5 結論

針對楊家村煤礦5 煤層的賦存特點和開采技術條件，通過分析及模擬方法，確定該沿空巷道區段煤柱的合理煤柱尺寸為7.5 m。經試驗，優化后的煤柱寬度能夠滿足現場安全生產要求。