综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计

段文超，王友壮,胡旭芳,刘 磊

(中国矿业大学)

·技术经验·

综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计

段文超，王友壮,胡旭芳,刘 磊

(中国矿业大学)

综放开采技术现已成为我国煤矿高产高效的重要技术手段和煤矿开采的重要发展方向。对于综放沿空掘巷来说，能否采用窄煤柱护巷，主要在于窄煤柱的尺寸和稳定机理，以及锚杆支护是否能保证巷道的稳定。窄煤柱问题是影响综放沿空巷道稳定最重要的因素之一，分析了窄煤柱的变形特点、影响因素及其宽度的设计方法，得出在综放开采巷道围岩为中等稳定条件下，窄煤柱合理宽度为2.5～4 m。

综放开采；沿空掘巷；锚杆支护;窄煤柱；变形；合理宽度；设计

1 窄煤柱的变形特点

在兖矿集团兴隆庄煤矿通过深孔多点位移计对窄煤柱变形进行了观测，发现综放沿空掘巷采用锚杆支护时，窄煤柱的变形表现为向巷道内和采空区两侧显著位移的特点。

窄位移分布有以下规律：

1) 垂直位移的变形规律。煤柱中的垂直位移分布的基本特点：由于窄煤柱上方载荷的作用，煤柱会出现不同程度的压缩，但在煤柱的同一高度，靠近上区段采空区的垂直位移量明显要大于巷道一侧，从煤柱的高度方向来看，靠近顶板处的垂直位移要大于底板处的位移。煤柱较宽时，在煤柱中部一定范围内，其垂直位移量明显要小。

2) 水平位移的变形规律。在数值计算条件下，窄煤柱向巷道内水平位移的基本特点：一般是窄煤柱中间的水平位移较大，煤柱宽度较小，水平位移的最大值一般更靠近窄煤柱的下部一些；窄煤柱向上区段工作面采空区侧水平位移的特点：水平位移靠近煤柱上部要大得多，近似表现为向采空区滑落的特点，煤柱宽度越小，这种特点越明显，可见，采空区中靠近窄煤柱帮的矸石充填及支护状况对窄煤柱向采空区侧变形的程度有较大的影响。

2 窄煤柱变形的影响因素

事实上，影响窄煤柱的因素很多，包括：巷道的埋藏深度，煤柱的宽度，窄煤柱与其上下交界面的接触性质，煤柱的侧向约束情况以及煤柱的极限强度等。

根据数据计算和实测的结果，对于综放沿空掘巷时的窄煤柱，在特定的窄煤柱尺寸和锚杆支护条件下，窄煤柱变形主要与以下几个因素有关:

1) 巷道上覆岩体大结构的运动和稳定性的影响。2) 窄煤柱的支护强度。3) 窄煤柱的破坏强度。4) 煤柱与其上下交界面接触的情况。

3 窄煤柱宽度的设计方法

3.1窄煤柱合理宽度设计原则

研究认为，综放沿空掘巷采用锚杆支护时，确定合理的窄煤柱宽度应遵循以下几个原则：

1) 锚杆安设基础的原则。窄煤柱采用锚杆支护时，煤柱宽度至少应大于锚杆的长度，使锚杆能锚固在煤柱中。

2) 相对有利的应力环境。当上区段工作面回采结束后，在采空侧煤体中形成一个垂直应力相对较低的区域，综放沿空掘巷位于此区域时，对巷道及其窄煤柱的稳定性都极为有利。因此，巷道宽度和窄煤柱宽度之和在条件可能的情况下，应布置在垂直应力降低区。

3) 保证锚杆具有良好锚固性能的原则。由于上区段工作面回采及巷道掘进的影响，在窄煤柱中出现塑性变形，甚至出现一定程度的破坏，当巷道置于应力降低区时，窄煤柱的力学性质相对也就差一些，因此，在考虑合理的窄煤柱宽度时，应保证锚杆安设基础的围岩性质较好，以保证锚杆具有较高的锚固力，真正发挥锚杆的支护作用。因此，锚杆不能安设到上区段开采后在窄煤柱中引起破碎的区域中。

4) 巷道围岩变形的原则。综放沿空掘巷合理的窄煤柱宽度不但能保证巷道围岩的稳定性，而且在现有的支护条件下，围岩的变形量应能满足生产过程中对断面的要求。

5) 煤损小的原则。在该类巷道采用锚杆支护时，当窄煤柱满足上述要求时，窄煤柱的宽度应尽可能小一些，这样有利于提高综放开采中煤炭的采出率。

3.2设计方法

合理窄煤柱宽度的确定可以从理论计算，数值分析，工程实践三方面综合考虑。

1) 理论计算法。如果煤柱过窄，则开巷后煤柱易于迅速变形破裂而使锚杆安设在破碎围岩中，锚固力减弱，锚杆的支护作用降低。合理的最窄煤柱宽度B的计算如下，其示意图见图1。

图1 合理煤柱宽度计算示意图

计算公式:

B=x1+x2+x3

式中：

x1—因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区宽度，m，公式：

m—煤层厚度，m；

φ0—煤层界面的内摩擦角，(o)；

C0—煤层界面的黏聚力，MPa；

k—应力集中系数，k≈3；

γ—岩层平均容量，km/m3；

H—巷道埋深，m；

Px—对煤帮的支护阻力，若上区段采空区侧支护已拆除，可取Px=0，若上区段采空区侧采用锚杆支护，则取Px=0.1；

x2—巷道窄煤柱帮锚杆有效长度,再增加15%的富裕系数，m；

x3—考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，按0.2(X2+X3)计算。

对于中等稳定围岩的综放沿空掘巷，B值一般为4 m左右。

2) 数据模拟分析法。数值模拟法一个很大的优势在于能考虑众多的影响因素，并通过对比分析得到一个较好的结果。

图2，图3分别为综放沿空掘巷在巷道掘进期间和受本工作面采动影响时，窄煤柱宽度不同时实体煤帮、窄煤柱帮、顶板下沉及底鼓的变化趋势。

图2 掘进时位移量示意图

由图2可见，综放沿空掘巷在巷道掘进期间，当窄煤柱的宽度不同时，巷道的围岩变形具有以下特点：

a) 窄煤柱宽度不同时，巷道两帮的围岩变形量均大于顶板的相对移进量，说明在此期间，巷道的变形以两帮移进为主。

b) 在巷道的两帮移进量中，实体煤帮的移进量和窄煤柱帮的移进量虽有变化，但其量值相差很大。实体煤帮的变化趋势是随着窄煤柱宽度的增加，移进量稍有下降，但当煤柱宽度大于4.5 m时，移进量又开始有一定的回升;窄煤柱帮的变形则随着煤柱宽度的增加变形量呈上升的趋势，但在一定煤柱宽度时，其变形趋势与实体煤帮逐渐趋于一致。

c) 在窄煤柱范围内，巷道的顶底板移进量以顶板下沉为主，底鼓相对要小一些。

图3 采动影响时位移量示意图

由图3可见，当巷道受本工作面回采影响时，窄煤柱宽度不同时，巷道围岩的变形具有以下特点：

a) 巷道在受采动影响时，巷道两帮的变形量也大于顶底板的相对移进量，说明在本工作面回采时，巷道围岩的变形与掘进期间类似，也是以两帮的变形为主。

b) 在窄煤柱条件下，巷道顶底板的移进量与煤柱的宽度有较大的关系，当煤柱宽度较小时，巷道的顶板下沉量要大于底板的鼓起量；随着煤柱宽度的增加，底板的鼓起量增加，而顶板的下沉量降低，底鼓量大于顶板下沉量；当窄煤柱宽度达到6 m左右时，两者的变形量逐渐趋于一致。

c) 在巷道两帮移进量中，实体煤帮的变形趋势与顶板下沉的趋势很相似，但其量值要大得多；窄煤柱的变形趋势则与底鼓的变形趋势一致，但也是在量值上要大一些。同时，窄煤柱宽度在一定范围内时，煤柱的变形要比实体煤帮的变形量大，最终随着宽度增大，两帮的移进量均有不同程度的上升。

通过上面的分析可得出结论：在窄煤柱条件下，综放沿空掘巷在巷道掘进期间，由于围岩的变形量普遍较小，窄煤柱宽度对巷道围岩变形量的影响不是很明显；但巷道在受本工作面的采动影响时，巷道围岩的变形量均很大，在此情况下，合理的窄煤柱与巷道的稳定性有很大的关系。窄煤柱宽度在3.5～4 m时，巷道的变形要大一些，因此，对锚杆支护的综放沿空掘巷来说，从控制围岩变形量的角度出发，合理的窄煤柱宽度应小于3.5 m，或者大于5 m。在窄煤柱的设计中，考虑到综放开采的煤炭采出率问题，一般建议应选择较小的煤柱尺寸，不大于3.5 m是较为合理的。

3) 工程实践分析法。综放沿空掘巷的窄煤柱设计具有很强的工程特征，故合理的窄煤柱宽度还应考虑工程中的一些要求，具体为：

a) 锚杆的安设基础。 窄煤柱采用锚杆支护时，煤柱的宽度至少应大于锚杆的长度。一般地，现有的条件下，锚杆的长度多在2 m左右，考虑到保留一定的宽度富裕系数，故要求窄煤柱的宽度不小于2.5 m。

b) 锚杆安设的可操作性。 在留设窄煤柱条件下，锚杆支护中常会出现这样的问题，当窄煤柱破坏较严重时，锚杆钻孔在凿出后不久会出现塌空现象，致使锚杆的安设无法正常进行，故在实践中要考虑。

c) 窄煤柱安设的最终确定。 由以上研究可见，综放沿空掘巷采用锚杆支护时，窄煤柱的确定应充分考虑以下3个问题：

(1) 对沿空掘巷的窄煤柱来说，靠上区段工作面采空侧煤体中存在一定范围的破坏区，当在巷道侧窄煤柱中安设锚杆时，其宽度最好应能使锚杆位于采空侧所形成的破坏区以外，这样锚杆作用在较为稳定的煤体中，可以保证锚杆可靠的锚杆能量。

(2) 综放沿空掘巷的窄煤柱尺寸决定了巷道与上区段工作面回采空间的距离，从而决定了巷道受侧向支撑压力的影响程度；同时，窄煤柱的尺寸也将直接关系到窄煤柱自身的承载能力。

(3) 窄煤柱的宽度应能保证锚杆在操作上的可靠性。

4 结 论

综上研究后认为，在综放开采，巷道围岩为中等稳定的条件下，窄煤柱较为合理的宽度为2.5～4 m。

[1] 李学华.综放沿空掘巷围岩稳定控制原理与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008:17-20.

[2] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003:62-63.

[3] 来存良，席京德.厚煤层高产高效开采实用技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2001:27-30.

DesignandApplicationonNarrowPillarWidthinGobCaving

DuanWen-chao,WangYou-zhuang,HuXu-fang,LiuLei

Caving mining technology has become an important high yield and efficiency in Chinese coal mines and coal mining technology to the important development direction. The gob caving, the ability to use narrow pillar to protect road, mainly due to the size and narrow coal pillar stability mechanism, and bolting it to ensure the stability of the roadway. Narrow pillar issue is one of the most important factor of the stability of fully mechanized caving roadway of.Analyzes the deformation characteristics of narrow pillar,influencing factors and the design method of width,obtains that under the moderate stability condition of the surrounding rock in fully-mechanized caving roadway,the reasonable width of the narrow pillar is 2.5～4 m.

Fully-mechanized caving mining；Gob-side entry driving；Bolt support;Narrow pillar；Deformation;Reasonable width;Design

段文超 男 1988年出生 2007年中国矿业大学在读本科生 徐州 221116

TD263.2

B

1672-0652(2010)07-0022-04

2010-04-27