高瓦斯综放面迎采巷道护巷煤柱合理尺寸研究

郭子程

（山西高河能源有限公司，山西 长治 047100）

0 引言

由于采掘衔接紧张，高河矿在W4301工作面回采期间提前相向开掘邻近接续W4302工作面的回采巷道，但迎采巷道围岩稳定性将受到采掘应力的耦合影响，不仅巷道变形量大、支护困难问题突出，为此需要研究合理护巷煤柱宽度，以实现控制迎采巷道围岩稳定性、实现2个工作面安全生产的目的。

1 工作面基本情况

山西高河能源有限公司为设计产能7.5 Mt/a的高瓦斯生产矿井，主采3号煤层，属高瓦斯低透气性煤层。为保证邻近工作面顺利接续，设计在W4301工作面回采期间应用边采边掘工艺布置W4302工作面的回风顺槽。W4302回风顺槽位于矿井西四盘区，北面临W4301工作面，东面接+450 m水平南翼大巷，西面为矿界，南面为W4302工作面未采区，埋藏深度约480 m，3号煤底板距9号煤底板平均距离约65.4 m。

W4301工作面采用“Y+L”型通风方式，按照两进一回+高抽巷布置，胶带顺槽与进风顺槽进风，回风顺槽回风；W4302工作面设计采用“W”型通风方式，仍按照两进一回+高抽巷布置，其中W4302进风顺槽为通过沿空留巷方式保留下来的原W4301进风顺槽，W4302胶带顺槽为原W4301回风顺槽，W4302回风顺槽即准备开掘的迎采巷道，迎采巷道位置平面示意图见图1。

图1 迎采巷道位置平面示意图

W4301工作面与W4302回风顺槽均沿3号煤层底板布置，根据W4301进风顺槽掘进期间瓦斯涌出情况预测，W4302回风顺槽掘进期间单循环落煤最大瓦斯涌出量为1.0 m3/min，煤壁每百米瓦斯涌出量为0.2 m3/min。

W4301工作面长度为320 m，埋深范围为380.602～442.005 m，胶带、进风、回风顺槽长度分别为1 696、1 586、2 454 m，进风顺槽同高抽巷之间留设35 m煤柱，高抽巷长度为1 552 m。工作面采用综放开采工艺，煤层均厚6.08 m，采高3.5 m，放煤高度2.58 m，采放比1∶0.74，放煤步距为一采一放。

2 护巷煤柱合理尺寸理论分析

影响护巷煤柱稳定性的主要因素为煤柱所承受的载荷以及煤柱强度。在煤矿特殊地质条件与生产环境下，对煤柱载荷和强度产生影响的因素如煤层埋深、煤层厚度、地质构造与煤体内弱面、煤柱与顶底板接触系数、顶底板覆岩岩性等均为客观不可选变量，因此仅可通过选择护巷煤柱的宽度来提高煤柱承载性与稳定性。此外，可将护巷煤柱视为一个大的岩石试件，若要保证其稳定性则需要所受载荷低于煤柱自身强度值，并留有一定的富余量。因此，将从上述2方面研究护巷煤柱稳定条件，并在此基础上优化护巷煤柱的合理尺寸。

2.1 煤柱的弹塑性变形区与支承应力分布计算

两侧工作面回采结束后，护巷煤柱两侧围岩分别有破碎和塑性区域，宽度分别记为x0、x1，见图2。

图2 护巷煤柱支承应力分布情况示意图

假设令x0+x1=x，大量开采实践表明，护巷煤柱处于稳定状态的条件为其内部具有不小于煤柱高度2倍的弹性核区，即

式中：x3为弹性核区宽度，m；B为护巷煤柱宽度，m；M为煤柱高度，取6.08 m。

由公式1计算确定W4302回风顺槽护巷煤柱内弹性核区宽度不应小于12.16 m。

2.2 护巷煤柱的合理留设宽度的理论计算

图3所示为护巷煤柱合理尺寸计算示意图。

图3 护巷煤柱合理尺寸计算示意图

如图3所示，在W4302回风顺槽掘进期间，其两侧分别为采空区、实体煤，而在W4302工作面回采时还会受二次采动影响。护巷煤柱的宽度应有利于迎采巷道围岩稳定性控制，因此为避免出现围岩变形严重、顶板冒落、底鼓以及片帮等灾害的发生。护巷煤柱的合理留设宽度的理论计算公式为：

式中：x1为W4301工作面开采产生塑性区的宽度，m；x2为W4302工作面采掘影响产生塑性区的宽度，m。

以下几个方面的假设为基础：①将煤体视为连续、均匀且各向同质的弹性体；②不考虑煤柱屈服前所发生的位移和变形；③煤柱只受覆岩的自重应力和采动的影响，不受构造应力的影响；④煤柱所受上覆载荷呈对称分布；⑤当煤柱因剪切力出现变形破坏时，其剪切破坏面与煤层相平行；⑥当煤柱局部发生屈服时，将发生屈服的区域作为弹性极限考虑。

2.2.1 W4301工作面开采产生塑性区的宽度

根据岩石力学极限平衡相关理论，煤柱塑性区宽度，即支承压力峰值至煤体边缘距离x1为：

式中：K为应力集中系数，取4；Q1为对煤帮支护阻力，取480 k P a；C为煤粘聚力，取2.02 MPa；φ为煤内摩擦角，取20°；f为煤同顶底板围岩接触的摩擦因数，取0.3；ξ为三轴应力系数，ξ=γ为上覆岩层容重平均值，取25 kN/m3；H为上覆岩层的高度，取412.51 m。

将参数代入公式4中，计算得到x1为6.51 m。

2.2.2 W4302工作面采掘影响产生塑性区的宽度

通常采用圆形巷道受力模型来对围岩塑性区变形情况进行研究，可将围岩受力分析作为弹塑性力学中的平面应变圆孔进行研究，其所受应力主要为水平应力，由此建立的圆形巷道受力模型见图4。

图4 圆形巷道受力模型

图4 中，a表示巷道半径；r，θ表示塑性区边界任一点极坐标；P表示原岩应力。圆形巷道塑性区半径x2的计算公式为：

式中：P为原岩应力，取12.9 MPa；Pi为支护阻力，取480 k P a；a为圆形巷道半径，取2.6 m；φ为围岩内摩擦角，取20°;C为围岩粘聚力，取2.02 MPa。

将各参数代入公式4中，计算得到x2为5.1 m。前述计算结果表明W4301工作面开采后护巷煤柱邻近侧塑性区范围为6.51 m，大于巷道开挖围岩塑性区范围5.1 m，考虑回风顺槽布置完成后，W4302工作面的开采护巷塑性区发育范围将进一步扩展，因此x3同样取值6.51 m。由于前述理论计算没有考虑工作面回采动压影响，而实际塑性区宽度应比理论计算结果大，取采动影响系数D为1.5，则合理煤柱宽度计算公式为：

计算出护巷煤柱合理宽度不应小于31.7 m，取35 m。

3 迎采巷道矿压监测分析

3.1 矿压监测测点布置

W4302回风顺槽布置于3号煤层内，巷道长1 435 m。断面掘宽5 300 mm，掘高3 900 mm，掘断面20.67 m2；净宽5 200 mm，净高3 700 mm，掘断面19.24 m2。如图5所示，在W4302回风顺槽左右两帮共布置8个监测点，顺槽顶底板同样布置8个监测点顶底板对称布置。

图5 巷道围岩监测点分布图

如图5所示，1、3、5、7号监测点布置顺槽左帮，距底板2 m；2、4、6、8号监测点布置在顺槽右帮，距底板2 m；9、11、13、15号监测点布置在顶板中轴线处；10、12、14、16号监测点布置在底板中轴线处。

3.2 矿压监测结果分析

根据巷道周围测点的布置位置，每天监测巷道两侧和顶底板表面的围岩变形量，记录数据并导入至O rigin软件进行处理，确定围岩表面变化趋势以及支护效果。图6所示为迎采巷道两帮测点位移曲线与变形速率。

图6 迎采巷道两帮测点位移曲线与变形速率

由图6可知，可看出在迎采巷道初始开掘10 d内，两帮变形速率最大，达到2.25 mm/d，10 d后变形速率呈现波动性减小的变化趋势，但两帮整体移近量不断增大，直至开挖60 d后，两帮移近量趋于稳定，变形速率趋近于0，两帮累计移近量大致为90 mm左右。迎采巷道顶底板监测结果如图7所示：

图7 迎采巷道顶底板测点位移曲线与变形速率

由图7可知，迎采巷道顶底板变形时间与两帮基本一致，即迎采巷道开掘后的60 d为围岩位移不断增加，在60 d位移量基本保持恒定，顶底板最终位移量大致为40 mm左右，小于两帮移近量，但迎采巷道开掘40 d内，顶底板移近量均保持不断变化趋势，40 d后顶底板移近量不断减小。

综上所述，现场观测表明迎采巷道两帮及顶底板围岩完整程度较高，围岩表面没有出现明显的裂隙裂缝，表明护巷煤柱宽度取35 m较为科学合理，可以满足巷道围岩控制和正常使用要求。

4 结语

本文在分析迎采巷道护巷煤柱稳定性主要影响因素的基础上，利用理论研究的方法对护巷煤柱合理宽度进行计算，得出护巷煤柱合理宽度不应小于31.7 m，设计W4302回风顺槽护巷煤柱宽度取值为35 m。利用现场矿压监测的手段，在回风顺槽左右两帮共布置8个监测点，顺槽顶底板同样布置8个监测点顶底板对称布置。现场监测结果表明，巷道围岩变形在开挖60 d后可以基本趋于稳定，两帮累计移近量大致为90 mm左右，顶底板最终位移量大致为40 mm左右，迎采巷道围岩完整程度较高，表面没有出现明显的裂隙裂缝，因此护巷煤柱宽度取值较为科学合理，可以满足巷道围岩控制和正常使用要求。