深井动压巷道保护煤柱合理留设宽度研究

李永峰

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）

0 引 言

在我国巷道支护的诸多形式中，巷道保护煤柱通常以区段煤柱形式出现，这种巷道保护方法，属于我国应用最为广泛的巷道保护方法[1]。该方法在形式上是将两个相邻工作面的运输顺槽与回风顺槽区别开来，这种方法，巷道管理较为简单，巷道内运输、通风、压风以及供水系统相互隔离，互不干扰，优化了矿井管理难度[2]。在地应力分布上，由于下一工作面的顺槽与上工作面顺槽有一定的间距，避免了在下一工作面顺槽在掘进时，受到上一工作面顺槽掘进、以及工作面回采时的采动扰动，增加巷道维护成本，减少巷道失稳可能性[3]。

但在诸多矿井的生产实际中，对于区段煤柱宽度的取值，通常以经验为主，一般为10～20m，并没有进行理论计算与推导，这就减少了采区煤炭采出率，造成煤炭资源的浪费。同时，在一般埋深的矿井确定煤柱宽度时，10～20m可以起到对顺槽的保护作用，但随着我国煤炭开采深度的增加，巷道保护煤柱宽度的计算必须充分考虑到开采深度的因素对煤柱宽度的影响[4]。同时结合工作面开采扰动、煤岩力学参数等因素，对巷道保护煤柱宽度进行科学计算，并采用现场钻孔窥视的方法，进行验证。

1 工作面概况

该矿020201工作面布置于2#煤层的02采区，工作面地质构造总体为单斜构造，煤层走向为东西走向，煤层倾角平均18，煤层倾向0°，地质构造简单，条件相对稳定，煤层厚度在2～2.5m左右，平均2.3m，夹矸3层，夹矸岩性为泥岩、炭质泥岩为主。原01采区工作面巷道保护煤柱依据经验取20m，工作面顺槽净高4.3m，净宽2.9m，支护参数见表3。

表1 煤层顶底板情况表

2 煤柱留设宽度理论

巷道保护煤柱的使用寿命主要有五部分组成，即：煤柱形成、一次采动影响、一次采动稳定、二次采动影响与二次采动稳定，由于在二次采动稳定阶段，下工作面已经回采完成，故煤柱变形最为严重、顺槽围岩破坏最为严重。所以，在确定巷道煤柱合理宽度时，应当以二次采动影响下的煤柱稳定为研究对象。故煤柱宽度可按式（1）确定。

式中：B为煤柱宽度，m；x1为一次采动稳定阶段煤柱塑性区宽度，m；x0为二次采动影响阶段煤柱塑性区宽度，m；L1为煤柱内部弹性核宽度，m；

表2 地面相对位置及邻近区域开采情况表

表3 巷道支护参数

2.1 煤柱塑性区宽度

图1 煤柱力学模型示意图

由图1可知，巷道保护煤柱左右侧受到Px的水平正应力的约束作用，即可视为支护阻力。煤柱两侧应力峰值分别为KγH、K'γH来表示，用σy表示。在σy作用下，煤柱塑性区有向外滑动趋势，故塑性区与煤层顶底板之间有大小为τxy的滑移剪切应力，受到弹性核给的水平挤压力σx。

同时，为充分考虑煤柱破坏深度，以煤柱塑性区宽度最大，即中部塑性区宽度计算；取Px=0时，即巷道支护失效时计算。则可得式（2）、式（3）计算煤柱一次采动稳定阶段以及二次采动影响阶段的煤柱塑性区宽度。

式中：x1为一次采动稳定阶段煤柱塑性区宽度，m；x0为二次采动影响阶段煤柱塑性区宽度，m；m为煤柱高度，取2.3m；φ0为2#煤内摩擦角，由实验室测量取22°；γ为2#煤视密度，由实验室测量取24.2kN/m3；C0为 2#煤内聚力，由实验室测量取2400kP；H为2#煤埋藏深度，750m；K为一次采动稳定阶段，弹性核与塑性区应力邻界面上应力集中系数（1～2.5），取 2.5；K'为二次采动影响阶段，弹性核与塑性区应力邻界面上应力集中系数（2～3.5），取 3.5；λ为煤层深度系数，取0.47。

2.2 煤柱弹性核宽度

由图1中的应力分布可知，为保证弹性核不破坏，则最小弹性核的宽度，见式（4）。

式中：L1为煤柱弹性核最小宽度，m；m为煤柱高度，取2.3m；φ为2#煤内摩擦角，由实验室测量取22°；γ为2#煤视密度，由实验室测量取24.2kN/m3；C为2#煤内聚力，由实验室测量取2400kP；H为2#煤埋藏深度，750m；K为一次采动稳定阶段，弹性核与塑性区应力邻界面上应力集中系数（1～2.5），取2.5；K'为二次采动影响阶段，弹性核与塑性区应力邻界面上应力集中系数（2～3.5），取 3.5；

同时，为全面考虑影响煤柱稳定性的时间、采掘扰动等因素，最终确定煤柱宽度，见式（5）

式中：x1为一次采动稳定阶段煤柱塑性区宽度，m；x0为二次采动影响阶段煤柱塑性区宽度，m；L1为煤柱弹性核最小宽度，m；α为巷道掘进扰动影响因子（1～1.5），取1.4；d为工作面回采扰动影响因子（1.5～3.0），取3.0。T为煤柱随时间弱化因子，取0.6。

3 计算结果与工程应用

带入数据，由式（5）可得，该矿020201工作面回采巷道保护煤柱宽度为26.78m，在工程实际中顺槽保护煤柱取27m。同时，在020201工作面回采时，对巷道保护煤柱进行了钻孔窥视（0～5m），见图2。

图2 020201工作面回采时顺槽保护煤柱窥视图

图3 020107工作面回采时顺槽保护煤柱窥视图

图3 为相邻020107工作面回采时，顺槽保护煤柱的内部（0～5m）钻孔窥视图，在相同支护参数条件下，020107工作面回采时顺槽保护煤柱在0～5m的范围内出现了较为剧烈的破坏，煤柱内部破碎，且裂隙发育明显，巷道变形剧烈，并进行了煤柱注玛丽散，以维护巷道围岩稳定。但是，在煤柱宽度增加至27m后，由图2可见，煤柱内部只在0～2.5m范围之内出现了破坏，煤柱内部并未出现明显裂隙，说明此时煤柱稳定性好，同时020201回采巷道并未出现明显变形，有效控制了巷道围岩。

4 结 论

1）结合该矿深井回采巷道保护煤柱失效的实际问题。在综合考虑埋藏深度、采掘扰动以及时间等影响参数后，确定巷道保护煤柱宽度计算公式确定为：

2）带入参数，利用煤柱宽度计算公式，计算可得，巷道保护煤柱合理宽度为27m。

3）在相同支护参数时，对不同宽度的工作面巷道保护煤柱进行钻孔窥视，合理的煤柱宽度，有效控了巷道围岩稳定性，控制了煤柱破坏失稳范围。