同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱宽度设计分析

刘 林

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西 大同 037000）

0 引 言

巷道是煤矿井下采煤的基础组成，而巷道掘进、支护所耗费的时间和费用都普遍占到全矿生产成本总费用的30%以上，而且采掘接替问题也是目前制约矿井年产量的主要因素之一。为保证煤炭回收率，现代化矿井设计巷道时必须尽量减小与采煤工作面的距离，但采煤动压影响与距离呈反比关系，因此这就需要在设计时寻找两者之间的一个平衡点。

1 工程概况

同忻煤矿隶属于山西同煤集团，是一座年产量超过1000万t的国有特大型矿井，现有职工1103人，井田面积84.52km2，可采储量为8.47亿t。同忻煤矿于2007年建成投产，2010年达产，现为同煤集团主力矿井。该矿井8310工作面布置在三盘区辅运大巷东北侧，采用单一走向长壁式开采，工作面停采线与三盘区回风大巷之间需留设保护煤柱，为避免巷道受动压影响破坏，因此需要设计保护煤柱的合理宽度（见下图1）。本项目采用“理论计算+数值模拟”并参照其他煤矿经验来确定最终煤柱宽度。

2 保护煤柱最小宽度理论计算分析

三盘区回风大巷沿煤层底板掘进，净断面：5.2（净宽）×3.7（净高）=19.24m2。本煤层平均厚度14.13m，倾角0～4°，为近水平煤层，煤层埋深约350m。老顶厚度12.71m，岩性为含砾粗砂岩、细砂岩；老底厚5.18m，为细砂岩，整体结构较完整，便于大巷掘进。

2.1 单位宽度保护煤柱强度估算

保护煤柱强度与诸多因素有关，包括煤柱尺寸、煤层强度、地质条件等等，在此采用英国Obert学者改进后的经验公式估算单位宽度煤柱支承强度σ（见图1）[1]，根据该公式并参考其他煤矿经验，在此计算40～90m宽保护煤柱其单位宽度支承强度（每增加10m为一档），数据见表1。

图1 本项目布置平面简图

式中：σc为保护煤柱试件单轴抗压极限强度，13.2MPa；a为保护煤柱宽度，m；M为保护煤柱高度，14m。

表1 不同宽度保护煤柱单位宽度支承强度

2.2 保护煤柱总载荷计算

三盘区回风大巷保护煤柱载荷P由两部分组成：巷道开挖后其上部岩层载荷P1及采煤工作面顶板垮落产生的侧向支承压力P2，其中P1的计算公式见（2）[2]所示。

式中：b为巷道宽度，5.2m；γ为煤层上覆岩层平均容重，0.025MN/m3；H为 煤层埋深，350m。

采煤工作面顶板垮落产生的侧向支承压力P2，该值与煤柱的支承压力大小有正比例关系，而煤柱的支承压力又由其单轴抗压极限强度σc决定，因此相关学者通过总结大量经验得出P2计算公式，见（2-3）[3]。

式中：k为 应力集中系数，σc＞25MPa，k取3；σc≤25MPa，k取2.5。

2.3 单位宽度保护煤柱平均应力计算

保护煤柱单位宽度平均应力S等于保护煤柱总载荷P（P=P1+P2）与保护宽度的比值，具体计算公式见（4）[4]，而不同保护煤柱宽度的单位宽度平均应力计算成果见表2。

表2 不同宽度保护煤柱单位宽度平均应力

通过对比表1、表2的数据可知：①随着保护煤柱宽度逐渐加大，单位宽度的强度在增加，而平均应力在减小，煤柱宽度越大，对巷道保护越有利；②当煤柱宽度不小于70m时，单位宽度煤柱的支承强度便大于平均应力，说明是合理的[5]。因此通过理论计算最终确定同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱宽度设计为80m。

3 保护煤柱最小宽度数值模拟分析

为保证结果准确性，本项目再利用FLAC3D软件对不同煤柱宽度条件下巷道应力变化情况进行模拟，也可以在大体上展现出总体趋势[6]，为工程施工提供技术参考。

3.1 模型的建立

本次模拟模型的参数如下：煤层倾角为0°，工作面长度350m，宽120m，巷道高3.7m，宽5.2m，x轴表示煤层走向，y轴表示煤层倾向，z轴表示煤层埋深（见下图2所示）。为方便计算，模型上部采用均匀载荷形式，平均密度ρ=2000kg/m3，部分岩石参数由试验室测得，具体数据见下表3所示。

表3 部分岩石物理力学参数

图2 模拟模型示意图

3.2 模拟结果分析

结合理论计算和其他煤矿经验，本次模拟的煤柱宽度共有三个方案：60m，70m，80m，巷道为“锚杆+锚网”支护。

1）保护煤柱宽度为60m。由图3可知：当保护煤柱设计宽度为60m时，工作面推进至结束位置，应力集中区为工作面尽头煤壁、顶板、底板位置，且越靠近煤层其应力值越大；而巷道围岩应力也远大于原岩应力，靠近工作面一侧巷道出现位移；中间煤柱变形严重，超过10m宽度均为应力集中区，受采动影响，煤柱承载应力由18.5MPa飙升至31.6MPa，煤柱有被压垮的危险。

图3 保护煤柱宽度为60m时巷道围岩应力分布云图

2）保护煤柱宽度为70m。由图4可知：当保护煤柱设计宽度为70m时，工作面推进至结束位置，应力集中区为工作面尽头煤壁、顶板、底板位置，且越靠近煤层其应力值越大，但相对于60m煤柱时应力小15%左右；巷道围岩应力主要集中在顶底板，靠近工作面一侧巷道出现少许位移；煤柱应力集中区在煤柱中部位置，但强度比60m煤柱小且分散，约为27.6MPa，在巷道支护作用下虽然产生部分位移，但煤柱无压垮危险。

图4 保护煤柱宽度为70m时巷道围岩应力分布云图

3）保护煤柱宽度为80m。由图5可知：当保护煤柱设计宽度为80m时，工作面推进至结束位置，应力集中区为工作面尽头煤壁、顶板、底板位置，且越靠近煤层其应力值越大，但相对于70m煤柱时，应力降低约25%左右；巷道围岩应力主要集中在顶底板，但强度较小，靠近工作面一侧巷道出现少许位移；煤柱应力集中区在煤柱中部位置，但强度比60m、70m煤柱明显减小，而且巷道另外一侧煤体也承受了一部分应力，平均为21.2MPa，加上巷道支护作用，巷道变形不明显，满足回风要求。

图5 保护煤柱宽度为80m时巷道围岩应力分布云图

经过模拟分析，当三盘区回风大巷保护煤柱设计为80m时，巷道所受到的应力值远小于煤柱的极限应力，完全可以承受采动影响，因此该设计值是较为合理的。

4 结 语

巷道是井下煤炭开采的重要基础，在设计巷道时必须要考虑巷道寿命问题，若一旦出现损毁，对煤矿正常生产影响很大，而且需要耗费大量人力物力财力进行维修。本文采用理论计算和数值模拟，均得出了同忻煤矿三盘区回风大巷80m宽保护煤柱是合理的，而且通过试采，也确认了巷道没有受到采动影响而损坏，从而保证了井下开采的顺利进行。