矿井下山护巷煤柱合理尺寸选取

冯国龙

(汾西矿业集团贺西煤矿安，山西 柳林 033300)

1 工程概况

3402工作面所在煤层为3煤，位于34采区南翼，开采下二叠统山西组3(3上)煤层。工作面走向长(两巷平均)1 408 m，倾斜长225 m～230 m，面积330 933.4 m2，工作面平均煤厚8.5 m，可采储量306万t。该工作面北东为3402工作面，北西为-650大巷保护煤柱，南西为未开采区，南为DF64断层及3(3上)煤层风氧化带。该区段总体呈单斜构造，倾向北西，煤(岩)层倾角4°～26°，平均倾角9°。地面位置：位于昭阳湖里，地表标高+31.71 m～+32.52 m，地表水深2 m～6 m，与井下无水力联系。

3煤厚度7.1 m～10.1 m，平均8.5 m。3煤特点为：黑色，块状，玻璃光泽、油脂光泽，细、宽条带状结构，阶梯状、参差状断口，外生裂隙发育，煤岩成份以暗煤为主，亮煤次之，少量镜煤条带，煤岩类型属暗淡型或半暗型，3煤层工业牌号为气煤，特低硫，低磷，高挥发分。局部含深灰色泥岩夹矸，夹矸厚度不稳定，约0.1 m～2.5 m。煤层坚固性系数(普氏硬度系数)f=0.83～0.99。

3煤直接顶为泥岩，厚度一般为0.6 m～2.6 m，平均1.4 m。黑色，巨厚层状，致密、性脆，贝壳状断口，具垂直裂隙，未充填，含黄铁矿薄膜或结核及少许叶片化石。岩层坚固性系数(普氏硬度系数)f=3.77。

基本顶为细砂岩，厚度一般为0.4 m～5.2 m，平均3.0 m。3煤直接底为泥岩，厚度一般为1.2 m～4.0 m，平均2.4 m。基本底为细砂岩，厚度一般为2.4 m～6.6 m，平均3.9 m。

该区段总体呈单斜构造，倾向北西，煤(岩)层倾角4°～26°，平均倾角9°。3402工作面预计将依次揭露4条断层，断层附近伴生隐伏次级断层，煤岩层松软、破碎，易冒落，断层均不导水。

3402工作面最大瓦斯绝对涌出量为0.85 m3/min，相对涌出量为0.43 m3/t，二氧化碳绝对涌出量为1.10 m3/min，相对涌出量为0.55 m3/t。

3煤顶板砂岩含水层平均厚度22 m，底板砂岩含水层平均厚度6.5 m，赋水不均一，有少量涌水。在该区段内，侏罗系底部砾岩下距3煤层顶板约20 m～80 m。该含水层对巷道正常施工无影响。

巷道断面图见图1，工作面位置图见第94页图2。

图1 巷道断面图(单位：mm)

2 下山巷道间煤柱宽度选取

2.1 弹塑性计算

-650轨道下山、-650胶带下山、-650人行

图2 3402工作面位置图

下山为穿层掘进，岩层为中硬岩层，采用直墙半圆拱断面，巷道断面图如图3。锚杆、挂网、喷浆联合支护，喷浆厚度为10 cm，φ=22°，c=2.3 MPa，γ=24.4 kN/m3，埋深平均615 m。

图3 等效断面图

根据巷道断面尺寸，由式(1)计算-650人行下山、-650轨道下山、-650胶带下山外接圆半径[1-3]。

(1)

由式(2)计算-650人行下山、-650轨道下山、-650胶带下山塑性区半径[4]。

(2)

则：

根据以上计算可知，-650人行下山与-650轨道下山间的煤柱宽度只要不小于18.1 m，-650轨道下山与-650胶带下山间的煤柱宽度只要不小于17.5 m，就能够完全满足矿山压力要求[5-6]。

2.2 数值模拟

数值模拟结果如图4。图4数据表明，当两巷道间煤柱宽度为20 m时，煤柱应力峰值大小及距巷帮距离基本稳定，受相邻巷道的影响较小，巷道间煤柱宽度在此范围时能够保证巷道的稳定。模拟结果比弹塑性计算结果稍宽，这是由于弹塑性计算没考虑弹模的软化造成的。

图4 垂直应力系数图

在实际生产中，煤柱宽度的选取应在弹塑性计算的基础上乘以安全系数，并适当地加宽。-650人行下山与-650轨道下山间、-650轨道下山与-650胶带下山间的煤柱宽度均为25 m，能够满足巷道围岩稳定的要求。

3 下山巷道与采场间煤柱宽度选取

1) 模型的建立

2) 数值模拟分析

在回采不同距离时，得到下山巷道两帮和顶底板的位移变化曲线和两帮、项底板移近量变化曲线，如第95页图5和图6所示。

从图5和图6可以得到以下结论：

a) 当回采距离为140 m时，此时，回采工作面距巷道水平距离为120 m，巷道两帮和顶底板的移近量开始明显增大，两帮移近量由24 mm增大到25 mm，顶底板移近量由29.95 mm增大道30.50 mm；

b) 当回采工作面距巷道水平距离为120 m时，煤层回采可能会对上山巷道产生较大影响。此时，应

图5 巷道两帮和顶底板的位移变化曲线

图6 巷道两帮和顶底板移近量变化曲线

设置停采线，留取护巷煤柱宽度，建议宽度为120 m。

4 监测分析

在-650胶带下山设置5个观测站，每个观测站设置4个测点，5个测站依次标号为1#测站、2#测站、3#测站、4#测站、5#测站，各监测站相距70 m。监测仪器选用JSS30A型伸缩式数显收敛计，JSS30A测量位移精度较高，能达到0.1 mm，适用于测量煤矿井下巷道围岩周边任意方向两点间的距离变化。测站布置具体如图7。

图7 巷道表面位移监测站布置

随着工作面向前掘进，巷道变形速度、变形量都发生变化。通过对-650胶带下山监测站各监测点的监测，将监测数据进行处理，确定不同的位移变化区段。

综合分析，-650胶带下山各点表面位移变形规律：

1) 1#～5#观测站在这条巷道内，1#和5#观测站附近所在位置有滴水，立交位置所在巷道断面采用U型钢支护，巷道有浆皮掉落现象。

2) 1#、2#观测站所在位置巷道的变形不严重，2#～4#观测站变化较大，从巷道内大片掉落的矸石可以宏观反映，顶底的移近速度大于两帮。

3) 从以上的实测数据分析可知，保留125 m煤柱可以有效地降低巷道变形速度，控制巷道围岩变形，大大减弱了巷道受上方支承压力和工作面采动的影响，保留125 m煤柱是合理的，与数值模拟计算保留120 m煤柱相吻合。

5 结论

文中结合数学模型计算及FLAC3D数值模拟的结果，最终确定矿井-650采区下山巷道间煤煤柱宽度为25 m，巷道与采场问煤柱宽度为135 m。实践应用表明，该方法分析结果可靠，实用性较强，为巷道护巷煤煤柱宽度的选取提供了科学的决策依据。