大断面综放沿空巷道合理煤柱宽度的确定

董良钻

(山西焦煤霍州煤电吕临能化有限公司，山西 临县 033200)

1 前言

采煤矿业正朝向机械化、自动化、智能化的开采方向发展，综合性、集约型煤矿的数量越来越多，由此，大型综放开采成为井下工作面的主流。但这种开采方式在采出大量煤矿资源的同时，也带来了相邻巷道断面变形幅度大、开采环境恶劣的负面影响，出现了山体变形大、开采影响剧烈化现象。现阶段，各矿区通过留设20～50m不等宽煤柱支护维护沿空巷道，虽然暂时缓解了工作面和巷道所受的影响，但不合理的煤柱宽度浪费了资源，不合理的布置会造成巷道受力不均，进而出现冒顶、垮帮和底鼓现象，使开采工作陷入更加复杂的条件。煤柱宽度合理化对于提高煤炭资源回收率、保证沿空巷道稳定以及实现综合开采高产高效率意义重大。前人根据不同的地质条件、开采方式和支护水平对综放区煤柱的应力情况和合理宽度进行了深入探索。但庞庞塔煤矿9- 700工作面具有其独特地质条件，需要在现场监测的基础上，结合理论分析成果进行计算数值模拟，并考虑沿空巷道的变形过程，分析其侧顶板下沉严重、冒漏、腰线偏离等实际情况才能确定煤柱合理宽度。因此，此研究将以具体综放沿空巷道为对象，确定煤柱宽度合理范围，为支护和避免变形提供有价值的数据参考。

2 工程背景

以庞庞塔煤矿9- 700工作面工程地质条件为背景，根据实测情况分析沿空巷道的煤组设置，庞庞塔煤矿9- 700工作面所处的9号煤层属于典型的稳定厚煤层，倾角在5°～14°，煤层厚度在5.12～14.34m，平均厚度为12.4m。煤层的伪顶属于炭质泥岩，平均厚度为50mm,易离层垮落；煤层的直接顶属于泥灰岩，平均厚度为6.7m，具有比较强的硬度，不易冒落；巷道底板也属于炭质泥岩，平均厚度为2.01m。采面走向长度约为2 355m，倾斜长度约为233m,采用综放采煤，采煤高度为2.3m,放煤高度为8.9m。

3 合理煤柱尺寸的确定

巷道煤柱可分担巷道承受载荷，其主要受力来自煤柱上覆岩层，单侧帮、双侧帮采空区转移到煤柱上的负荷。

(1)煤柱上覆岩层的总载荷：

P=[(B+D)H-(D2cotδ)/4]γ

式中：B——煤柱宽度；

D——采空区宽度；

H——巷道埋深；

δ——采空区上覆岩层垮落角；

γ——上覆岩层平均体积力。

(2)煤柱单位面积上的平均载荷即平均应力：

σ=P/B

式中：B——煤柱宽度；

P——煤柱上覆岩层的总载荷。

(3)煤柱宽度必须保证煤柱的极限载荷σ不超过极限强度R，其中R为：

R=0.778+0.222B/h

式中：B——煤柱宽度；

h——煤柱高度。

开采巷道煤柱需要承受的载荷因煤柱的不同位置而不同。采空区上覆岩层跨落角、采空区宽度使得煤柱边缘部分需要承受较大的力，但煤柱边缘范围内的煤体抗压强能力比较差，会出现不同程度的切刀损坏现象。回采巷道沿煤柱的两侧分别形成两个塑性变形区，如果两侧形成的塑性变形区宽度超过煤柱宽度，就会超过煤柱所能承受的负载，进而出现崩塌情况。

针对庞庞塔9- 700工作面采用上述公式的载荷估算法，代入参数值D=200m，H=400m，h=3.5m，煤的单轴抗压强度为11MPa，采空区上覆盖层垮落角为30°，上覆岩层平均体积力为24kN/m3。计算得B=17.9m。又根据极限平衡理论，B为19.6m。综合以上分析计算，护巷煤柱合理宽度为20m。

4 数值模拟分析

采用数值模拟软件FLAC 3D运用莫尔—库伦(Mohr- Coulomb)屈服准则分析不同煤柱宽度对岩体变形、判断岩体是否遭到破坏的影响并建立数值模型。建模所取岩体力学参数见表1。

表1 煤岩体力学参数

模拟结果显示：当煤柱宽度小于10m时，两个塑性变形区相通，分布在整个煤柱上，使得煤柱失去弹性核区，从而难以承受外界应力，严重破坏，失去平衡；当煤柱宽度从10m增大时，两塑性变形区相通的范围逐渐缩小，对煤柱的破坏也减缓；当煤柱宽度达到20m时，采空区侧的塑性变形区宽度缩小到9m,巷道侧的塑性变形区宽度缩小到3m,煤柱出现了弹性核区，宽度是8m，并可以保持稳定状态，不被破坏；当煤柱宽度超过20m,继续扩大至30m时，煤柱的塑性保持稳定，弹性区宽度进一步扩大。而30m也是煤柱宽度的临界值，如果继续扩大，煤柱会更稳定，但浪费了煤矿资源，没有实际应用价值。

由图1可以看出，煤柱宽度与变形量的总体上趋势是当煤柱宽度增大时变形量逐渐减小。当煤柱宽度大于20m时，围岩的变形量随着煤柱宽度的增大而缓慢减小，变化量越来越小。不同煤柱宽度作用于两帮的变形量，沿走向工作面附近巷道两帮水平位移较大，随着工作距离增大，变形量减少。煤柱宽度从3m增至7m时，巷道两帮的变形量逐渐减小；煤柱宽度从10m增至20m时，巷道两帮水平变形量也逐渐减小。煤柱宽度从7m到10m，变形量却增大很明显。这说明20m是煤柱宽度的一个临界点，在煤柱宽度大于20m后煤柱宽度再增大对巷道变形影响较小，而煤柱宽度小于20m时巷道变形量随着煤柱宽度增加急剧减小。

图1 不同煤柱宽度下巷道围岩变形量

随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力峰值在逐渐增大，两帮垂直应力峰值逐渐减小，说明煤柱宽度增大可以使煤柱承载能力逐步提高，两帮承受的应力有向煤柱转移的趋势。当煤柱宽度达到一定值时，煤柱内和两帮承受的应力峰值大体相等，此时，煤柱及两帮都承受较大的应力，而当煤柱宽度进一步加大时，煤柱起了主要承力作用。当煤柱宽度较小时，煤柱内应力不高，巷道周边的最大位移区在煤柱的两帮，煤柱的水平位移远远大于其他宽度时的位移，会导致煤柱的破坏，甚至完全崩塌，失去支撑功能，无法确保巷道的稳定。当煤柱宽度稍微大于此宽度时，两侧的塑性区完全贯通，整个煤柱都会被破坏，也无法形成弹性核区，在垂直应力分布上达到了单峰状态，煤柱不会完全被压垮，此时若能及时采取适当措施，维护煤柱的稳定，煤柱仍能保持一定的稳定状态。当煤柱宽度为中等时，一方面煤柱内的塑性区已经贯通，煤柱内岩体全部塑性屈服，煤柱中间不能形成弹性核区，另一方面，煤柱内存在较大应力峰值，不能转移，使得煤柱受到很大的压力，对稳定性而言是很不利的。当煤柱宽度较大时，煤柱垂直应力呈双峰分布，煤柱两侧均有塑性区，两峰间存在弹性核区，这样可以使煤柱足以支撑保持稳定，但煤炭损失比较大，造成资源难以回收。所以考虑安全因素和经济因素，建议煤柱宽度在20m左右。

5 结论

根据现场实测和计算机数据模拟的结果，认为合理煤柱宽度为20m，能够保证窄煤柱沿空巷道围岩稳定，且煤柱宽度为20m时实际工程情况良好。经数据分析表明，本文中方法确定的煤柱尺寸合理、可靠，为庞庞塔矿的综放沿空巷道的合理布置和煤柱宽度等参数提供了合理的科学依据。在一定范围内，中等宽度的煤柱护巷，巷道位移量不随煤柱宽度增大而减小，巷道稳定性与宽度不完全成正比关系，并非煤柱越宽巷道越稳定。煤柱宽度大的煤柱护巷，围岩位移明显变小，但是综放型开采煤柱损失大，对于提高出采率不利。

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