蒋家河煤矿沿空掘巷煤柱留设研究

许 博，李国平，杨 博

(彬县煤炭有限责任公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

目前，我国国有大型煤矿的资源采出率在60%以上，单位煤炭资源采出消耗大，煤炭资源浪费严重，综放开采放顶煤工艺造成的煤炭损失占采区总煤损失的44%，居第1位，其次是区段煤柱损失占33%。因此，减小区段煤柱宽度，实行小煤柱沿空掘巷或无煤柱沿空留巷将是提高煤炭采出率的主要技术途径，而随着煤柱宽度的增大，工作面采出率呈线性减小。沿空留巷在服务期间，一般情况下受到二次动压影响且时间较长，造成巷道顶板、两帮变形严重、巷道维护难度大；而沿空掘巷一般采用3～10 m小煤柱护巷，其服务期间仅受一次动压影响，时间较短，巷道易维护。因此，采用小煤柱沿空掘巷是满足科学采矿要求的高回收的煤炭采出技术之一。

1 蒋家河煤矿基本概况

蒋家河井田位于彬长矿区南缘，陕西省中西部，行政区划隶属于咸阳市彬州车家庄、底店乡及水口镇管辖。地理坐标为东经107°53′30″～107°59′00″，北纬35°59′15″～36°02′00″。北与大佛寺井田相邻，东、西、南以零煤线为界。东西长7.2 km，南北宽4.7 km，井田面积22.262 7 km2。现有地质储量69.73 Mt，可采储量29.74 Mt。矿井生产能力为0.9 Mt/a，剩余服务年限25.4 a。矿井采用立井单水平开拓，开采水平标高为+667 m。井田布置主立井、副立井、阎家河进风斜井及回风立井共4条井筒；矿井采用中央并列式通风方式，抽出式通风方法，综合机械化放顶煤采煤工艺。矿井为高瓦斯矿井，主采4号煤层为Ⅱ类自燃煤层，煤尘具有爆炸性，水文地质类型为中等型，4号煤及顶、底板均有弱冲击倾向性。当前，蒋家河煤矿正在回采ZF211工作面，计划紧邻ZF213备用工作面运输巷掘进下一工作面回风巷，为提高资源采出率并缓解采掘接替紧张的局面，计划在ZF215工作面回风巷试验小煤柱沿空掘巷。

2 工作面沿空掘巷动态分析

迎采动工作面沿空掘巷是在上区段工作面回采引起的强动压作用下，沿不稳定采空区边缘与回采工作面掘进，巷道经历上覆岩层关键块断裂、回转、下沉、稳定全过程的影响，需要综合考虑煤柱留设、上覆岩层结构运动对巷道围岩结构的破坏以及强动压作用下煤柱的稳定性等问题，维护难度极大，完全不同于普通稳定采空区留小煤柱沿空掘巷，需要维持巷道浅部支护结构的稳定。

柏建彪等[1]针对综放沿空掘巷围岩大小结构，探讨分析了巷道围岩变形的基本规律，研究了巷道的围岩应力特征和影响围岩变形的力学特性，建立了上覆岩层大结构的力学分析模型。

煤层在开采过程中破坏了原岩应力场的平衡稳定性，导致应力重新分布。对于受采动影响的巷道，其维修维护状况除受巷道所处位置的自然因素影响以外，还受制于采动影响。巷道在掘巷前、掘巷期间及工作面回采期间的稳定性分析如下。

沿空掘巷前，在下移量一定的前提下，块体B下方的矸石和采空区侧煤体将对其形成稳定的支承作用；同时，该块体还将受到相邻块体A、C的夹持，则此时弧形三角块B是稳定的。根据以上对弧形三角块B的稳定性分析，认为沿空掘巷前该块体是稳定的，同时也说明在沿空掘巷前，上覆岩层大结构是稳定的。如图1所示。

图1 沿空掘巷上覆岩层大结构分析模型

沿空掘巷时，及时采取一定的支护措施，巷道上覆煤岩体大结构基本不会受到影响，可以有效控制巷道在掘进期间的围岩变形量，并减小巷道在掘后稳定期间因围岩蠕变产生的变形。依据上述对沿空掘巷在掘巷前后的上覆岩层大结构稳定性分析，认为在该条件下完全可以采用锚杆支护来维护巷道，确保巷道稳定。

本工作面采动在影响期间，巷道上覆岩层大结构不会有较大的垮落现象发生，但会存在一定程度的下沉变形，因此保持巷道围岩的稳定性，不仅要适应上覆岩层的下沉，还应采取锚杆支护和其他支护措施，使巷道围岩结构保持稳定，保障巷道在回采期间的正常使用。

3 煤柱合理宽度位置的选择

基本顶在工作面侧向的破断位置，即侧向弹塑性分界位置，决定了煤柱宽度大小的选择。

如图2所示，在ZF213工作面回采期间，在工作面侧向形成了破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区，应避开应力峰值地域合理选择沿空巷道的位置，当煤柱处在Zone No.1(破碎区)区域时，其完全处于侧向大结构保护下，煤柱处于残余强度状态，无稳定的承载区域，在先后2次动压影响下，流变变形量较大，除此之外此区域煤体完全破碎，不利于锚杆、锚索等锚固效果发挥，控制难度较大。

Zone No.1-破碎区；Zone No.2-塑性区；Zone No.3-弹性区；Zone No.4-原岩应力区

如果煤柱宽度较大，部分煤柱就会处于 Zone No.3(弹性区)区域，煤柱在2次动压影响作用下，在煤柱的中部便会形成高应力集中区。如图3所示，在高应力作用下，煤柱弹性部分需经历弹性-塑性的变化过程，承载能力减小，集中应力向巷道及周边围岩转移，造成巷道变形量较大。

Ⅰ-破碎区；Ⅱ-塑性区；Ⅲ-弹性区

宽煤柱护巷时，煤柱内存在 Zone No.4(原岩应力区)时，如图4所示，巷道基本不受相邻工作面回采期间采动压的影响，巷道维护状况比较好，变形量相对而言比较小，但护巷煤柱宽度一般达到了20～25 m，煤炭损失量较大，采区采出率低，造成资源浪费明显。

Ⅰ-破碎区；Ⅱ-塑性区；Ⅲ-弹性区

因此，合理的煤柱宽度设计应使煤柱处于塑性区和破碎区，煤柱内存在大于原岩应力的稳定承载区，并且煤柱整体受力不大，无明显的应力集中区，但稳定承载区域又不能太小，避免巷道变形量过大，同时须控制与应力峰值位置距离，避免高应力集中。

4 煤柱合理宽度设计与分析

4.1 传统应力极限平衡理论计算煤柱宽度范围

依据传统应力极限平衡理论，结合侯朝炯提出的极限平衡区宽度计算式，给出煤柱合理宽度的理论计算值。

式中，x0为塑性区宽度，即煤体应力极限平衡区宽度,m；σz1，τxy为应力极限平衡区内煤体的垂直应力、剪应力,MPa；λ为侧压系数；C0为滑移面的内聚力；φ0为滑移面的内摩擦角，取煤体强度的0.6倍；Kz为侧向采动应力集中系数；P为上覆岩层压力,MPa；Px为煤帮支护阻力,MPa；α为煤层倾角,(°)。

依据蒋家河煤矿ZF215工作面回风巷生产地质条件，煤层厚度M为4.0 m，煤体的内摩擦角和粘聚力分别为42°、2.2 MPa，滑移面内摩擦角φ0、粘聚力C0分别为24°、1.41 MPa，侧压系数λ为1.1；煤帮支护阻力Px为0.35 MPa；侧向采动应力集中系数Kz为3；上覆岩层压力为12.5 MPa(平均埋深500 m)。经计算求得极限平衡区(塑性区)宽度x0为6.53 m，所以沿空掘巷时，合理的煤柱宽度范围为B≤6.53 m。

结合上述理论计算结果，同时考虑到采空区积水对煤柱强度的弱化、煤体强度不均等及堵漏风的需求，合理的煤柱宽度B≥3.0 m，综合考虑合理的煤柱宽度范围应为3 m≤B≤6 m。

4.2 煤柱合理宽度数值分析

采用数值分析法，通过研究3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m煤柱内水平位移、垂直应力分布规律、回采巷道的变形，分析煤柱的承载能力与稳定性，确定煤柱合理宽度。

4.2.1 迎采动煤柱内应力分布情况

为了确定合理的煤柱宽度，取煤柱中部岩层研究煤柱内应力场的分布情况。

不同宽度煤柱垂直应力变化规律：①在煤柱宽度从3 m增加到4 m的过程中，煤柱内垂直应力峰值基本变化不大。煤柱宽度为3 m时，垂直应力峰值达到27.2 MPa，煤柱宽度为4 m时，垂直应力峰值达到26.8 MPa。煤柱基本进入残余强度阶段，承载能力低，没有承压区或承压区较小(煤体单轴抗压强度27 MPa)，不利于锚杆锚固。②在煤柱宽度从4 m增加到7 m的过程中，煤柱内垂直应力峰值逐渐增大。煤柱宽度为5 m时，垂直应力峰值达到34.0 MPa，煤柱宽度为6 m时，垂直应力峰值达到34.6 MPa，煤柱宽度为7 m时，垂直应力峰值达到39.3 MPa。因此随着煤柱宽度的增大，煤柱帮拥有一定的承载能力，其稳定性在逐渐增强。③在煤柱宽度从7 m增加到10 m的过程中，煤柱内垂直应力峰值出现逐渐减小的趋势。煤柱宽度为8 m时，垂直应力峰值达到38.6 MPa，煤柱宽度为9 m时，垂直应力峰值达到37.1 MPa，煤柱宽度为10 m时，垂直应力峰值达到36.6 MPa。

不同宽度煤柱垂直应力的分布情况：在煤柱宽度从3 m增加至8 m的过程中，煤柱内垂直应力分布曲线由近似三角状变为驼峰状。煤柱宽度为3～4 m时，煤柱大部分垂直应力低于煤体的单轴抗压强度(27 MPa)，煤柱的稳定性极差；煤柱宽度为5～7 m时，煤柱存在垂直应力集中区(高于煤体的单轴抗压强度)；随着煤柱宽度的逐渐增加，垂直应力集中区范围不断增大，垂直应力集中区即承压区的存在，利于锚杆的锚固；另外，随着煤柱宽度的不断增加，煤柱内的垂直应力峰值位置逐渐远离巷道临空区，基本位于煤柱中央位置。

综上所述，煤柱宽度为7 m时，煤柱内垂直应力峰值最大，因此，煤柱宽度不宜小于5 m，没有稳定的承压区，不利于锚杆锚固，应小于7 m，降低煤柱的应力集中程度，保证煤柱的长期稳定性，合理的煤柱宽度为5～6 m。

4.2.2 迎采动煤柱内水平位移变化情况

取煤柱中部岩层研究煤柱内水平位移场分布情况。在迎采动期间，煤柱内水平位移分布具有以下规律特征。

向巷道临空方向水平位移：在煤柱宽度为3～4 m时，煤柱向巷道临空方向的水平位移量随煤柱宽度的增加出现增加；煤柱宽度为5～6 m时，煤柱向巷道临空方向的水平位移随煤柱宽度的增加基本不发生变化；煤柱宽度为7～10 m时，煤柱向巷道临空方向的水平位移随煤柱宽度的增加出现减小，其中在煤柱宽度为5 m时，其向巷道临空方向水平位移最大，为1.62 m。

向采空区侧水平位移：在煤柱宽度从3 m增加至5 m的过程中，煤柱向采空区侧的水平位移增加速度较快；大于5 m后，煤柱向采空区侧水平位移随煤柱宽度的增加而逐步减小；其中煤柱宽度为5 m时，煤柱向采空区侧水平位移最大，为1.06 m。

窄煤柱内水平位移分布：在煤柱为3～4 m时，煤柱中部位移急剧发生变化，基本无稳定区域即近零区域；煤柱宽度大于 5m时，煤柱中部存在近零区域，但随着煤柱宽度的增加而逐步增大。

因此，从煤柱稳定的角度出发，煤柱内应存在近零区域，煤柱合理宽度应大于4 m，煤柱宽度为5 m时，煤柱向采空区侧、巷道临空方向位移均最大，稳定性较差，合理的煤柱宽度应大于5 m。

4.2.3 巷道变形情况

从不同宽度煤柱的应力场、位移场分布规律特征来看，煤柱对巷道围岩变形的影响随着窄煤柱宽度变化而发生变化。为了进一步确定煤柱宽度，对巷道围岩变形量和煤柱宽度的关系进行研究，不同宽度煤柱条件下巷道围岩变形量详见表1。

表1 不同煤柱宽度条件下巷道围岩变形量

由表1可知，煤柱宽度对巷道围岩变形量的影响如下。

顶板下沉量：巷道顶板下沉量随着煤柱宽度的增加而不断减小，基本呈现线性变化，其中在煤柱宽度为3 m时，顶板下沉量达到最大。

煤柱帮变形量：煤柱帮变形量随着煤柱宽度的增加而出现极限值，其中在煤柱宽度5 m时煤柱帮变形量最大；因此煤柱宽度选择应大于5 m，以增强煤柱的稳定性。

实体煤帮变形量：巷道实体煤帮变形量随着煤柱宽度的逐步增加而不断减小，基本呈现线性变化，其中在煤柱宽度为3 m时，实体煤帮的移近量达到最大。

因此，结合传统极限平衡理论分析方法、数值分析方法，基本确定出了合理的煤柱宽度。

5 分析讨论

通过传统极限平衡理论求出了煤柱塑性区宽度，得出了煤柱宽度的合理取值范围，确定出合理的煤柱宽度应小于6.53 m，但综合考虑到采空区积水对煤柱强度的弱化、煤体强度不均等及堵漏风的需求，合理的煤柱宽度应大于3.0 m，因此合理的煤柱宽度范围确定为3～6 m。

基于数值分析法，煤柱宽度为7 m时，煤柱内垂直应力峰值最大，因此，煤柱宽度不宜小于5 m，没有稳定的承压区，不利于锚杆锚固，应小于7 m，降低煤柱的应力集中程度，保证煤柱的长期稳定性，合理的煤柱宽度为5～6 m；从煤柱稳定性的方面考虑，煤柱内须存在近零区域，煤柱合理宽度应大于4 m，在煤柱宽度为5 m时，煤柱向采空区侧、巷道临空方向位移均最大，稳定性较差，因此合理的煤柱宽度应大于5 m，最终确定煤柱宽度为6 m。

6 结论

迎采动沿空掘巷技术的应用实施，将留设25 m宽煤柱方案改为预留6 m宽煤柱，不仅提高了煤炭资源回收率，减小了掘进工作面的局部防突工程，减轻了工人劳动强度，加快了掘进速度，促进了矿井安全、高效生产的改革；同时有效地解决了单翼矿井开采采掘接替紧张，局部地段顶板、巷道围岩、底鼓变形量较大，巷道维护难度大等问题，符合绿色矿山建设及科学采矿的要求。