软煤层大采高工作面巷道煤柱尺寸优化

郑兵亮

(1.中国矿业大学 (北京)力建学院，北京市海淀区，100083；2.山西晋煤集团安监局，山西省晋城市，048006)

留设煤柱一直是煤矿的主要护巷方法。因煤柱周围受开挖影响，其强度较低，破裂区的范围小则数米，大则十余米，尤其是顶底板和煤质松软的煤层，随着开采深度的增加，破裂区的范围将显著增大，煤柱破裂对降低煤柱的有效支承面积影响很大，减少或避免破碎区的范围是改善煤柱护巷的重要措施。煤柱宽度较大时，煤柱有效支承面积与煤柱支承面积的比值较高，煤柱的稳定性较好。但煤柱宽度较大，占用资源量也较多，会造成煤炭资源的浪费。通过煤柱稳定性计算、应力实测以及有效支撑面积分析，对所留设煤柱的稳定性进行分析，在确保巷道回采安全的条件下，尽量减小煤柱的留设宽度，合理优化煤柱尺寸，使煤柱宽度既合理又可靠，既能保证安全，又可减少煤柱损失，提高煤炭资源的回收。

1 工程概况

长平矿4305综采工作面东部为正在回采的4303工作面，南部为第二回风大巷，北部为四盘区北翼泄水巷，西部尚未布置工作面。4305综采工作面走向长1009m，倾斜长219m，为大采高综采工作面。煤层总厚度为5.87m，煤层倾角2°～16°。工作面为四巷布置方式，43055巷用于进风、排水，43051巷用于进风、运煤、供水、排水，43053巷用于进风、运料、供电、供液、供水、排水，43052巷用于回风、排水。工作面巷道、切眼均沿煤层底板掘进。43051巷道与43052巷道之间的实际煤柱尺寸为64m，43053巷道与43055巷道之间的煤柱尺寸为15m。

2 工作面煤柱保持稳定性的合理宽度

2.1 煤柱宽度理论计算

假设采空区周围的煤柱处于弹性变形状态，则煤柱的垂直正应力随着与采空区边缘之间距离的增大按负指数曲线衰减。在高应力的作用下，从煤柱边缘到深部都会出现破裂区、塑性区、弹性区及原岩应力区。破裂区内的围岩已发生明显位移，围岩强度显著削弱，只能承受低于原岩压力的载荷，故也称卸载区或应力降低区。塑性区 (靠煤体深部)承受着高于原岩压力的载荷。它与应力升高的弹性区共同称为承载区，也称应力增高区。塑性区与弹性区的交界处是垂直应力最高的地方。煤柱的承载能力随着远离煤柱边缘而明显增长。在距离煤柱边缘一定宽度内存在着煤柱的承载能力与支承压力处于极限平衡状态。运用岩体的极限平衡理论，可得到塑性区内任意处的垂直应力、应力降低区的宽度以及塑性区宽度。支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离方程式为:

式中:X0——支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离，也就是回采空间在护巷煤柱一侧形成的塑性变形区宽度，m；

K——应力集中系数，一般为2.5～3，此处取3；

γ——上覆岩层的平均体积力，kN／m3

H——煤层埋深，取620m；

P1——支护对煤帮的阻力，取0MPa；

M——煤层开采厚度，取5.8m；

c——煤体的粘聚力，取0.28MPa；

φ——煤体的内摩擦角，取59°；

f——煤层与顶底板接触面的摩擦系数，取0.2；

ξ——三轴应力系数，取7。

将各数据代入式 (1)得支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离X0为5.6m。

2.2 煤柱保持稳定性的条件

由于在巷道开挖后会形成自己的塑性区，因此采动后护巷煤柱保持稳定的基本条件是煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央仍处于弹性应力状态，即在煤柱中央保持一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤层开采厚度的2倍。故煤柱保持稳定状态的宽度B为:

式中:B——煤柱保持稳定状态的宽度，m；

R——巷道在护巷煤柱另一侧形成的塑性变形区宽度，由于煤柱在承受顶板压力后，在煤柱两侧形成的塑性变形区宽度基本相同，因此，R与X0取相同值。

将已知数据代入式 (3)，计算煤柱的宽度B为22.8m，考虑参数选取存在的误差，取1.5系数校核计算得煤柱最小宽度34.2m。

3 4305工作面护巷煤柱稳定性实测分析

3.1 煤柱内应力观测方案

监测仪器为天地科技股份有限公司生产的KSE-Ⅲ钢弦测力仪。43051巷与43052巷之间64m宽煤柱测站布置见图1，测站布置在距离开切眼120m处的第三联络巷内，1＃～8＃探头距离43051巷西帮分别为6m、14m、22m、30m、38m、46m、54m、62m，探头进入煤体的深度为8～10m。数据采集均采用系统自带的数据采集仪进行，每隔一周采集一次。各测点应力沿工作面推进方向变化情况见图2。

图1 43051巷与43052巷之间煤柱测站布置

图2 各测点压力沿工作面推进方向变化曲线

3.2 数据分析结果

从图2中可以看出，随着工作面向前推进，距工作面煤壁距离越近，煤柱内各点应力有不断升高的趋势。初期检测到的4＃测点和6＃测点煤柱应力数值较大，分别为9.39MPa和8.91MPa；8＃测点数值较低仅为2.89MPa；1＃～3＃、5＃、7＃测点数值基本在4.46～7.23MPa之间。其中1＃测点数值较2＃、3＃测点数值大，其主要原因是1＃测点位置靠近43051巷，该巷西帮锚杆支护强度较大，而且在靠近西帮1m范围内采用单体支柱加顶梁进行加强支护，因此使得1＃测点即使靠近巷帮也能够承受较大载荷。与1＃测点对应的在煤柱另一侧的8＃测点，其初值仅为2.89MPa，这是因为该点距离43052巷道仅为2m，该处围岩已经进入破裂区，承载能力下降。从2＃测点至4＃测点，随着距离43051巷道西帮渐远，应力值不断增加；同样从8＃测点至6＃测点，随着距离43052巷东帮距离的渐远，应力值也不断增加。

在超前工作面120m范围内，煤柱内的应力随着工作面的推进而不断增大，其中在距离工作面80～120m范围内，煤柱内应力增加量较小，属于微弱影响区。在小于40m范围内，4＃测点和7＃测点增加较大，说明超前工作面40m范围内已经受采动超前支承压力影响。在工作面距离测点32m时，1＃测点应力突然降低，说明此时此处煤体已经进入塑性状态，煤柱应力开始向煤柱深部转移。2＃、3＃、5＃钻孔应力计监测数值基本没有太大变化，一直处于缓慢增加状态。

4 巷道煤柱尺寸留设优化

合理留设煤柱就是要在保证安全的条件下尽量减小煤柱留设尺寸，以保证煤炭资源尽可能多的回收。4305工作面43051巷和43052巷之间的宽度约64m煤柱护巷是比较安全的，可以有效降低工作面回采对43052巷的影响。但煤柱宽度偏大，造成资源浪费。因此，有必要对巷道煤柱尺寸进行优化。

根据图2分析可知，随着距工作面煤壁距离的减小，仅1＃测点出现了应力迅速下降，其余均缓慢增加，说明其余各点仍具有一定的承载能力，4＃钻孔也出现了应力峰值，但该处应力峰值明显小于6＃钻孔处，而5＃钻孔处应力值一直较低，因此可以认为受4305工作面采动影响而产生的采动应力并没有在煤柱内部产生应力集中，也没有发生明显往煤柱深部转移，而是被煤柱整体承载。由6＃钻孔应力峰值可以看出，巷道开挖引起的塑性区范围较大。由64m煤柱减去6＃钻孔距43051巷西帮的距离46m，可得塑性区范围约为18m。

结合前文理论计算采动引起的塑性区范围5.6m，明显低于18m，因此以18m作为塑性区范围重新计算煤柱宽度B约为50m，依据现场实测和理论分析，4305工作面煤柱合理尺寸应为50m左右。

5 现场试验验证

为了对留设煤柱尺寸的合理性进行验证，在4310大采高工作面对留设煤柱宽度为50m的巷道围岩变形情况进行观测。在43052巷道内距工作面切眼200m和300m处分别安设1＃和2＃测点，对巷道两帮移近量、顶板下沉量、底臌量进行观测，观测结果如图3所示。

图3 巷道两帮移近量与工作面距离关系

从图3可以看出，留设煤柱为50m时，巷道在超前压力影响下开始位移比较平缓，随着工作面的推进，巷道围岩变形逐渐强烈，工作面推到测站附近10m范围内，两帮最大位移量为350mm，底臌量为300 mm，顶板下沉量控制在110mm左右，围岩变形均在允许变形范围内，说明留设煤柱宽度为50m时是比较合理的。

6 结论

通过理论分析和现场实测研究，4305大采高工作面合理煤柱宽度约为50m。采用此宽度既能保证煤柱的稳定性，又可提高资源的利用率。以4305工作面为例计算，工作面长度为1009.4m，煤厚5.87m，煤柱宽度由64m减少到50m，可多采出煤炭量为12.02万t。以晋城矿区平均售价660元／t计算，可创收7935万元。

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