孤岛工作面沿空掘巷合理煤柱宽度研究

赵 宁

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西 晋城 048400）

许多研究学者针对孤岛工作面留设煤柱合理宽度进行了研究。张立明采用弹塑性理论、辅助面积公式、数值模拟等手段确定了五阳煤矿孤岛工作面合理煤柱宽度[1]；姚博建立了沿空掘巷力学模型，得到护巷窄煤柱合理宽度为4.46～7.3 m[2]；王晨辉分析了不同煤柱宽度下的巷道围岩稳定性，得到4 m为最优煤柱宽度[3]。由于东峰煤矿3112工作面环境较为复杂，针对工作面具体条件分析孤岛工作面煤柱合理宽度，保证巷道安全稳定具有重要意义。

1 工程概况

东峰煤矿有限公司属于山西兰花集团，位于山西省晋城市高平市。东峰煤矿现开采3 号煤层，煤层厚度4.63～6.62 m，平均5.96 m，含0～3 层泥岩及炭质泥岩夹矸，夹矸厚 0～0.8 m，平均0.15 m。该煤层属全区稳定可采煤层。3号煤层顶底板情况见表1。

3112工作面位于首采区西翼，南北两侧分别为3114和3110回采工作面采空区，西侧为实体煤，东侧为采区胶带上山，与胶带上山之间留设保护煤柱70 m。采用综采放顶煤方法。

表1 3号煤层顶底板情况

2 沿空掘巷煤柱宽度理论分析

2.1 孤岛工作面沿空掘巷力学模型

图1中孤岛工作面沿空掘巷与一般的沿空掘巷基本一致，随着上个工作面的开采完毕，采空区边缘基本顶受矿山压力影响会发生破断，形成一个弧形三角块体[4]，从而在采空区边缘位置处形成一个卸压区，在此卸压区内合理的位置处掘进巷道，巷道此处受到矿山压力较小，且围岩变形量小，容易维护，但仍需注意若位置选取不当，沿空掘巷留设煤柱容易发生破碎，支护困难。

图1 孤岛工作面沿空掘巷围岩结构力学模型[2]

根据沿空留巷护巷煤柱保持稳定的力学条件分析可知，当煤柱受到挤压时，煤柱两侧会产生一定程度的塑性变形，而煤柱中间会形成一定范围的弹性核区。沿空掘巷留设煤柱宽度应大于产生塑性变形的宽度，并保留一定宽度的煤柱弹性核区，才足以保证煤柱的稳定，进而维持巷道围岩的完整性。

2.2 煤柱宽度理论计算

根据煤柱稳定的极限平衡理论[2]可得，为保证煤柱的稳定性且保证最大的煤炭采出率，需让煤柱宽度满足以下公式即可：

式中：B为煤柱宽度，m；x1为锚杆支护有效长度，m；x2为煤柱稳定系数；x3为煤柱塑性区宽度，m。

根据弹性力学理论分析可知，煤柱中的塑性区宽度为：

式中：φ为煤层内摩擦角，°；f为煤层与顶底板摩擦系数；γ为侧压系数；k为应力集中系数；C为煤体粘聚力，MPa；H为巷道埋深，m；p为支架对煤壁阻力，MPa；mc为煤层厚度，m。

根据东峰煤矿3112工作面具体地质赋存条件，经过现场实测可以得到工作面参数（见表2），代入公式（2）中可以得到3112工作面煤柱塑性区宽度为4.5 m。

表2 3112工作面3号煤层力学特性参数

然后进一步代入公式 （1），x1取2.4 m，x2=0.2×（x1+ x3）=1.38 m，可以得到3112工作面沿空留巷护巷煤柱宽度为B≥8.28 m。因此，通过力学分析，当3112工作面沿空留巷煤柱大于等于8.28 m时，可以保证护巷煤柱的稳定，进而保证沿空留巷的围岩稳定。

3 煤柱合理宽度数值模拟分析

根据东峰煤矿3112工作面所处具体地质赋存条件，根据通过岩石力学实验测得的采场煤岩层的物理力学参数，采用UDEC建立了数值模拟计算模型，模型上部边界施加补偿载荷2.6 MPa，模型下边界及两段边界固定位移。

模型平衡完成后，首先开挖3114工作面和3210工作面，待开挖稳定之后，再沿空掘巷，护巷煤柱宽度取4个方案，分别为7 m、8 m、9 m、10 m。并在护巷煤柱内设置应力监测点，记录分析护巷煤柱应力变化规律，为选取合适的护巷煤柱尺寸提供依据。

根据以上数值模拟方案，针对不同护巷煤柱宽度下的煤柱应力数据进行提取分析，可以得到不同宽度煤柱垂直应力变化规律，见图2。

图2 不同宽度煤柱垂直应力变化规律

分析图1可以得到：

（1）当护巷煤柱宽度为7 m时，由于受到3112工作面采动和回风巷道掘进的影响，7 m宽度的煤柱显然不能承载上覆岩层的矿山压力，煤柱垂直应力分布状态为三角形形状，峰值为4.2 MPa，低于3112工作面煤层原岩应力6.5 MPa。因此，当护巷煤柱为7 m宽度时，煤柱已经发生严重破坏，内部不存在弹性核区，全部为塑性变形破坏，已经失去承载力。

（2）当护巷煤柱宽度为8 m时，护巷煤柱垂直应力分布状态逐渐转化为梯形形状，此时煤柱峰值应力为6.6 MPa，与工作面原岩应力6.5 MPa非常接近，表明此宽度的护巷煤柱处于应力极限平衡状态，与7 m的护巷煤柱相比，煤柱虽未发生较大的破坏变形，承载力有所提升，但此状态下煤柱仍然有发生破坏的可能性。

（3）当护巷煤柱宽度为9 m时，护巷煤柱垂直应力分布状态已经转化为梯形形状，此时煤柱应力峰值为8.3 MPa，与工作面原岩应力6.5 MPa相比，应力集中系数为1.3。表明此时的煤柱承载力得到了显著的提高，煤柱内部存在一定范围的弹性核区。因此，3112工作面护巷煤柱宽度至少为9 m。

（4）当护巷煤柱宽度为10 m时，煤柱内垂直应力峰值为9.6 MPa，此时煤柱中部位置应力集中系数为1.5，可得随着护巷煤柱尺寸的增大，煤柱承载力也不断提高。

4 煤柱合理宽度确定

根据上述理论力学分析和数值模拟实验结果分析可知，当护巷煤柱宽度不小于9 m时，可以保证煤柱内部存在弹性核区，进一步保证煤柱和沿空掘巷的稳定性，随着煤柱尺寸的增大，煤柱承载力也随之提高，但为了尽可能的回收煤炭资源。因此，东峰煤矿3112孤岛工作面护巷煤柱宽度选取为9 m。

5 工业试验

东峰煤矿3112孤岛工作面采用护巷煤柱为9 m的沿空留巷，并采取一定的加强支护技术。3112工作面回采过程中，采用十字布点法针对巷道围岩变形量进行监测，在3112工作面采动影响下巷道顶底板移近量稳定在128 mm，两帮移近量稳定在106 m，护巷煤柱未发生明显破坏，巷道变形量得到了有效的控制，保证了沿空巷道的安全稳定。

6 结语

以东峰煤矿3112孤岛工作面回采巷道沿空掘巷工程为背景，通过理论力学分析得到煤柱宽度为8.28 m，采用UDEC数值模拟实验，分析了煤柱不同宽度时的垂直应力分布规律，确定3112工作面沿空留巷护巷煤柱合理留设宽度为9 m。工业试验表明，沿空巷道没有出现较大的变形破坏，取得了良好的应用效果。