深部煤层沿空巷道窄煤柱留设尺寸研究

郜 露

（潞安环能股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046200）

深部开采时，在高应力作用下，深部巷道围岩变形较浅部更加剧烈，易出现大变形而失稳[1]，因此，在实际生产中，通过利用沿空掘巷技术[2]，将巷道布置在临采空区侧煤体的应力降低区内来降低巷道围岩的变形，这样不仅能够解决巷道围岩应力集中问题，而且能够提高资源回收率，提高工作面生产效率。本文基于常村矿2105工作面间煤柱尺寸留设较大，易造成煤柱内部应力集中，使得巷道变形严重的实际条件，进行合理窄煤柱的尺寸留设研究，最终确定合理煤柱宽度，为工作面留煤柱沿空掘巷提供相应借鉴。

1 工程概况

常村矿所采3#煤层位于山西组的中、下部，煤层赋存稳定。该工作面平均煤层厚度5.85m，煤层倾角0º～7º，煤体容重1.4t/m3，煤层普氏硬度0.4。

2105工作面地面标高为+935.1～ +941.4m，工作面标高为+420.6～ +485.1m，埋藏深度为453.2～517.7m 之间。

2 窄煤柱留设尺寸理论分析

上区段工作面开采后，侧向煤体支承应力峰值向深部转移，此时将沿空巷道布置在沿破碎区的塑性区内，可以有效改善巷道的围岩力学环境。基于煤体应力分布规律和弹性力学理论，建立如图1所示窄煤柱力学模型。

式（1）所示为极限平衡区理论计算公式[3]。

式中：

m-工作面采高，m；

α-煤层倾角，（°）；

A-侧压系数；

K-应力集中系数；

γ-上覆岩层平均体积力，MN/m3；

H-巷道埋深，m；

φ0-煤体内摩擦角，（°）；

C0-煤体内聚力，MPa；

Px-上区段工作面巷道煤帮的支护阻力，MPa。

其中当K=1时，即可得破碎区宽度：

图1 煤柱极限平衡区力学模型

基于弹塑性力学理论和极限平衡区理论，设计煤柱宽度B范围如图2所示。

图2 最小护巷煤柱宽度

因此最小煤柱宽度为[4]：

式中：

X1-煤柱临采空区侧形成的破裂区宽度，即式（2）中x0，m；

X2-锚杆有效长度，m；

X3-考虑煤柱厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，m。

由式（1）和式（2）可得，取m=5.85m，α=5°，C0=3.0MPa，A=0.3，Px=0.4MPa，φ0=32°，γ=0.25MN/m3，H=485.5m，X2=2.2m，由此计算可得：

因此计算得窄煤柱最小理论宽度为B=5.95～6.5m。

3 窄煤柱稳定性验证

基于上述理论数据进行数值模拟，分别选取窄煤柱宽度5m、6m、7m和8m四种模拟方案进行分析验证，通过对不同宽度煤柱的巷道两帮移近量和顶底板移近量分别提取，获得如图3所示的不同煤柱宽度巷道变形曲线图。

图3 不同煤柱宽度巷道变形曲线

分析图3可知，在5m煤柱时，巷道顶底板移近量为343.8mm，两帮移近量为308.4mm；当煤柱为6m时，巷道顶底板移近量为291.1mm，两帮移近量为269.2mm，巷道围岩变形整体呈下降趋势；当煤柱增加到7m时，巷道顶底板移近量增大到321.1mm，两帮移近量也相应增大到289.2mm；煤柱为8m时，巷道围岩继续增大，其中顶底板移近量为335.1mm，两帮移近量为281.0mm，因此整个巷道围岩变形曲线近似呈漏斗形状，即煤柱为6m时，巷道围岩整体变形量最小。

4 结论

通过对常村矿2105工作面条件下的理论分析和计算，获得窄煤柱最小理论宽度为5.95～6.5m。通过窄煤柱模拟，进一步验证确定了6m煤柱为合理窄煤柱宽度，该结论可为沿空巷道留设煤柱、巷道维护提供一定的借鉴意义。