综放开采合理护巷煤柱宽度研究

张少杰，王金安，吴豪伟,朱占东

(北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

综放开采沿空掘巷技术有利于提高煤炭资源的利用率和减小巷道的维修量[1-2]，在煤矿生产中得到广泛应用[3-14]。沿空巷道与煤柱宽度、支护措施、开采方式等工程地质条件组成了一个特殊的岩石力学系统[15]。本文通过不同煤柱宽度时沿空掘巷力学场分析的基础上，对沿空掘巷系统的稳定性进行了评价，确定了综放开采合理煤柱的留设宽度。

1 概况

华亭煤业集团新柏煤矿地处甘肃省安口-新窑煤田的中部，属低瓦斯矿井。井田呈单斜构造，煤层平均倾角17°。回采煤层平均厚度11.5m，采用倾斜单一走向长壁综合机械化低位放顶煤采煤法，3506工作面走向长度1129m，倾向斜距116m，煤层平均倾角17°。3504工作面和3506工作面相邻(图1)。目前，3504工作面接近开采完毕，3506工作面顺槽即将开始掘进，确定合理的护巷煤柱宽度对于提高煤炭回采率和沿空巷道的稳定性具有重要的研究意义。

2 沿空掘巷的最佳位置

沿空巷道可能的送巷位置有4种(图2)：在位置3掘进巷道，正处于支承压力高峰区，巷道不易维护；在位置4处掘进巷道，煤柱损失比较大。在位置1处，无煤柱巷道能充分开采煤炭资源，但存在巷道通风、上区段采场采空区残煤自燃等不利因素。因此沿空掘巷的最佳位置为位置2所示的小煤柱护巷，最佳煤柱尺寸应是在煤柱不发生裂隙向采空区漏风、不诱发自燃的条件下的最小煤柱尺寸。

图1 3506工作面与护巷煤柱位置示意图

图2 沿空巷道掘进位置

3 煤体边缘力学状态极限平衡分析

理论研究方面，国内外许多学者借助弹性力学建立煤体边缘的力学平衡方程，经过必要的简化和假设，以及利用某种强度准则(例如：莫尔-库仑强度准则)确定塑性区宽度(图3)，并获得煤体边缘塑性应力区应力分布的解析解表达式[10]。

图3 煤层边缘极限平衡区煤体受力分析简图

(1)

(2)

由式(1)和式(2)求得煤体边缘的塑性区宽度Lp=8.9m；煤体边缘的应力降低区宽度Ls=6.8m，采空区边缘煤垂直应力分布曲线图如图4所示。

图4 采空区边缘煤体垂直应力分布曲线图

4 FLAC数值模拟

4.1 计算模型及力学参数

根据3506工作面的地质条件，建立如图5所示的计算模型，该模型采用平行四边形，宽241m，高200m。模型两侧限制水平方向移动，模型底边限制水平方向和垂直方向移动，模型上部根据埋深施加垂直载荷(图5)。计算时分别考虑煤柱宽度为3m、5m、7m、10m共4种情况，计算过程为：①原岩应力计算；②3504工作面回采；③掘巷。计算采用的煤、岩体力学参数见表1。

图5 计算模型图

表1 主要岩石力学参数

4.2 计算结果及分析

4.2.1 沿空煤体应力分析

计算结果表明，综放开采引起的沿煤层倾斜方向的垂直应力和水平应力峰值作用位置不同(图6)，最大垂直应力距煤体边缘约8m，最大水平应力距煤体边缘约16m。垂直应力峰值易造成巷道顶板和煤帮变形加剧，水平应力峰值易引起巷道底臌。在对沿空煤体的传统研究中，一般强调垂直应力峰值的作用位置，尽量避免巷道处于垂直应力峰值区，而忽略了水平应力峰值的影响。由于锚网支护沿空巷道对水平主应力抵抗较弱，因此在沿空巷道位置选择和煤柱宽度确定时，应使巷道避开水平应力峰值的位置，避免引起巷道严重底臌。

采空区边缘煤岩体的塑性区分布如图7所示。破坏性质主要为剪切破坏，煤体中最大塑性区宽度为5.4m。在老顶岩层中出现拉剪复合破坏。

图6 采空区边缘煤层垂直应力和水平应力曲线

图7 采空区边缘煤岩体的塑性区分布

4.2.2 煤柱内应力分析

当煤柱宽度不同时，即当巷道位置至采空区煤体边缘的距离发生变化时，煤柱内的应力分布发生改变。图8分别给出煤柱宽度为3m、5m、7m、10m时煤柱内垂直应力分布的计算结果。从中可以看出，煤柱宽度不同时垂直应力的形状变化规律：煤柱宽3m和5m时为“缓丘形”；煤柱宽7m和10m时为“非对称单峰形”。煤柱宽度由3m变化到10m时，应力峰值逐渐增大。

4.2.3 不同煤柱宽度时破坏区分析

不同煤柱宽度时破坏区对比如图9所示。从中可以看出，在煤柱由小变大时，煤柱中的剪切破坏区域由贯通变为不贯通。煤柱宽度为3m时，煤柱中的剪切破坏完全贯通；煤柱宽为5m时，煤柱中的剪切破坏开始不贯通；煤柱宽度为7时，煤柱中的剪切破坏不再贯通。因此，从煤柱中的剪切破坏区域是否贯通，可以确定煤柱的合理宽度为7m左右。

图8 不同煤柱宽度时煤柱内垂直应力曲线

图9 3506回风巷受采动影响后不同煤柱宽度破坏区对比

4.2.4 巷道变形分析

图10为不同煤柱宽度时巷道周边位移对比。从图中可以看出，随着煤柱宽度的增大，巷道上帮和顶板的位移量逐渐减小，巷道下帮的位移量变化不明显。煤柱宽7m时，巷道底板位移量最小。

图10 不同煤柱宽度时巷道周边位移对比

5 合理煤柱宽度的综合分析

沿空巷道岩石力学系统的稳定性与地质条件、煤柱宽度、支护措施、开采方式等多种因素有关。但煤柱的稳定是确保沿空巷道系统稳定的前提。根据上述计算结果，可对不同煤柱宽度沿空巷道的稳定性进行分析评价。

1)当煤柱宽度较小时，如煤柱宽度为5m以下甚至更小时，由于煤柱太窄，即使在煤柱两侧施加一定的加固约束措施也难以维持其整体性，容易被压垮，同时可能产生裂隙向采空区漏风并诱发自燃，因而此时属于对巷道稳定性不利的煤柱宽度。

2)当煤柱宽度为5m和7m时，虽然煤柱在综放开采过程中遭受过峰值压力的作用，也产生了塑性屈服，但此时煤柱上方的垂直压力并不是很大。同时从传统的岩石全应力应变实验曲线知道，岩石在峰值后仍有一定的残余强度。因此，对于宽度为5m和7m煤柱，在煤柱两侧施加一定的加固约束措施并依靠煤柱的残余强度，仍可保持煤柱稳定。

6 结 论

1)沿空煤体沿倾斜方向垂直应力和水平应力峰值作用位置不耦合。在选择合理的护巷煤柱宽度时，不仅要避开垂直应力峰值区，也要注意避开水平应力峰值区，否则可能引起严重底臌。

2)煤柱宽度由小变大的过程中，煤柱内垂直应力分布曲线形状变化规律为：“缓丘形”和“非对称单峰形”。煤柱宽度由3m变化到10m时，应力峰值逐渐增大。

3)煤柱宽度由小变大的过程中，煤柱中的剪切破坏区域由贯通变为不贯通。

4)煤柱宽度由小变大的过程中，巷道上帮和顶板的位移量逐渐减小，煤柱宽7m时，巷道底板位移量最小。

综上所述，沿空巷道系统的合理护巷煤柱宽度为煤柱中的垂直应力不大，剪切破坏不再贯通，巷道底臌量较小时的宽度。

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