厚煤层工作面合理煤柱宽度设计及稳定性研究

苏 杰

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 临汾 041602）

1 工程概况

霍宝干河煤矿2-116综采工作面即将回采结束，需进行下区段2-118C 综采工作面的准备作业。该综采工作面开采的是平均厚度为3.72 m 的9 号煤层，9 号煤层为由东向西倾斜角度为8°，煤层夹杂有矸石。2-118C 工作面的伪顶是厚度为0.15 m 的粉砂岩，直接顶板是厚度为1.2 m 的中砂岩，基本顶是厚度为1.5 m 的细砂岩，直接底板是厚度为2.4 m的细砂岩，基本底是厚度为4.55 m 的中砂岩。

工作面位于一采区的右翼，北侧为2-112 工作面，位于2-118C 工作面的北边，2-116 工作面位于2-118C 工作面的南边，工作面的西边是未开采的煤体，保护干河村留设的煤柱以及轨道大巷位于该煤层的东边。2-116 综采工作面回采结束60 d 之后就开始2-118C 沿空运输巷道的开掘工作，留设30 m 护巷煤柱，巷道在开掘过程中受附近巷道掘进和临近回采工作面顶板下沉破裂的影响，在距离留设煤柱比较近的这一边顶部和周围岩层产生大量的裂隙、破裂。从巷道围岩和顶板破裂特征来看，30 m煤柱并没有发挥保护巷道的效果，而且浪费了大量的煤炭资源。因此，针对沿空巷道煤柱宽度的确定，需要进行进一步的研究[1-2]。

2 煤柱尺寸的理论计算

对于煤柱本身来说，若其宽度较小，工作面回采时，在受动压影响的情况下，煤柱将会产生大量的裂隙，造成一定程度的损坏[3]，会对巷道的锚杆支护等带来较大的影响，当区段煤柱失去其该有的承载能力时，巷道的稳定也将受到影响。因此，在进行对区段煤柱的宽度计算时[4]，需要在其极限平衡条件下进行计算，如图1。

图1 煤柱宽度计算示意

沿空巷道窄煤柱计算公式为：

式（2）中：m为该煤层的采高，为3.72 m；λ代表侧压系数，取值0.32；φ0为煤层内摩擦角,为35°；C0代表煤柱和煤层顶板及底板之间交界处的黏聚力，取值0.8 MPa；K表示集中应力系数，取值1.8；γ1代表煤层以上岩石层的容重，取25 kN/m3；H代表巷道的埋藏深度，取448 m；Px是可采煤柱已经采空这一侧支护所需的阻力，取值0.2 MPa。

将上述参数代入式（2）计算可得：x1=2.12 m。

式（1）中：B为护巷煤柱宽度，m；x1为2-118C综采面回采在煤柱临空侧产生的破碎区宽度，即2-118C 采空区煤壁边缘与侧向基本顶断裂线之间的水平距离；x2为巷道煤柱侧帮锚索有效长度，取4.2 m；x3为预留煤柱的附加安全宽度，通常按30%～50%（x1+x2）取值，考虑不稳定覆岩下掘巷时煤柱受动压影响，按50%（x1+x2）计算。

经过计算，求得护巷煤柱的宽度约B≈10 m。

3 数值模拟计算

3.1 模型建立

以2-118C 综采工作面为工程背景，建立数值模型。对模型边界的法向位移进行约束，即限制模型在X、Y 方向的水平位移和在Z 方向的垂直位移，X=-232.25、X=248.25、Y=0、Y=160 和Z=0。在数值模型建立时，通常模型的建立会根据实际的地质条件进行简化，这样可以大大提升它的运行速度和准确度，降低整体数值模拟的运作时长，模型共划分171 904 个单元，183 645 个节点。在实验时，模拟的煤柱宽度分别设置为6.0 m、8.0 m、10.0 m、12.0 m、14.0 m、16.0 m。

3.2 不同宽度煤柱下垂直应力分布

不同煤柱宽度条件下围岩在垂直方向的应力分布如图2。由不同宽度煤柱的数值模拟结果可以看出，巷道在开掘之后由于煤柱宽度的变化，巷道周围岩层受到的应力也会发生变化，在煤柱里边会形成不规则、大小不等的应力集中领域。应力集中区域在6 m 煤柱宽度的条件下，处于靠近未开采的实体煤这一侧，其最大值为20 MPa，并且应力分布比较匀称，平均为10 MPa；巷道两侧的煤层在8 m 的煤柱宽度条件下，有应力集中的现象出现，在巷道靠近实体煤的这一侧更加明显，最大值为18.8 MPa左右，靠近实体煤这一侧的巷帮随着煤柱的增宽其应力集中的区域慢慢消失；煤柱宽度从10 m 增大到16 m 的过程中，煤柱内的应力集中区域及应力峰值均有增大，峰值分别为20.6 MPa、22.1 MPa、23.3 MPa、23.6 MPa。

图2 回采时不同宽度煤柱垂直应力云图

3.3 不同宽度煤柱水平位移曲线

通过对不同宽度煤柱内部应力模拟，得到煤柱内部应力变化曲线，如图3。

图3 不同宽度煤柱水平位移曲线

从图3 中可以看出，煤柱水平方向的位移值随着留设煤柱宽度值的不断增大而逐渐变小，并且在煤柱里边某一个位置位移为零。当留设煤柱的宽度值为6 m 时，在大约距采空区煤壁边缘2.6 m 的位置处存在一个位移值为零的点；在留设煤柱的宽度为8～16 m 时，存在的位移值为零的点的位置基本不变，其位置大约在距采空区煤壁边缘3.8 m 的位置处。位移值为零的点的位置处作为曲线斜率的分水岭，其斜率在临近采空区的这一边大致一致，倾斜程度比较大，而在位移值为零点的另一侧，留设煤柱宽度增大而曲线的斜率不断变小。

上述模拟结果中，当留设煤柱的宽度在6～8 m范围内时，巷道周围岩层的变形程度比较严重，巷道周围岩体的变形随着留设煤柱的宽度从6～8 m 反而变大，因此为保护巷道留设的煤柱的宽度应大于8 m；当留设的保护巷道的煤柱宽度从10～16 m 时，巷道周围岩层的破坏程度慢慢变小，但是随着留设的保护巷道的煤柱的宽度的变大出现了一定范围的应力集中的情况，并且集中范围不断变大；在工作面推进和巷道开挖的过程中，留设的保护巷道的煤柱宽度为14～16 m 时，煤柱受到的应力集中程度较大，对巷道和煤柱的稳定造成很大的影响；而留设的保护巷道的煤柱的宽度为10～12 m 时，煤柱受到的应力集中范围比较对称，其程度也比较小，可以使巷道周围岩体更加稳定。根据上述理论计算结果及2-118C 工作面目前的地质条件，在遵循煤柱宽度设计原则的基础上，最终确定2-118C 沿空巷道护巷煤柱的宽度为10 m。

4 工程实践

在掘进期间沿空掘巷时，为了确定2-118C 工作面的煤柱宽度留设的是否有效，在巷道的试验段布置3 个表面位移测点，之间间距50 m，分别对监测点标号为1#、2#、3#。在进行监测点安置时，严格按照所确定的点进行安置，不得出现误差。采用钢卷尺测量巷道顶底和两帮变形来探究2-118C 综采工作面区段留设煤柱的稳定性及合理性。监测数据如图4。

图4 为3 个测点观测之后得到的结果，从周围岩层位移的角度分析，巷道周围岩体在工作面回采期间破裂严重，比开掘巷道产生的裂隙更多，其变形程度是巷道开掘的4 倍多。巷道围岩在距工作面35 m 的位置处破碎速率发生转折，逐渐加快，距离工作面越近，破碎速率越快。从图4 可知，2-118C工作面超前采动影响范围为50 m 左右，三个测点在观测期间顶底板累计变形分别为430 mm、466 mm、352 mm，两帮累计移近量分别为362 mm、504 mm、486 mm。通过对巷道实际进行监测，监测结果表明巷道变形在允许范围内，巷道可以正常使用，对巷道表面变形进行了观测分析，根据观测的结果可以得出方案中留设的煤柱宽度合理。

图4 巷道表面位移监测

5 结论

以2-118C 综采工作面留设区段煤柱为背景，通过理论计算并辅以数值模拟软件验证等手段确定了合理的10 m 宽的区段煤柱宽度。2-118C 综采工作面回采过程中，对下顺槽围岩进行表面位移监测，通过对现场监测数据分析研究，可知2-118C 综采工作面留设10 m 区段煤柱可以维持巷道稳定，煤柱宽度合理，满足工程需求。