深部厚煤层沿空掘巷窄煤柱宽度的确定

杜广立

摘要：沿空掘巷留设窄煤柱是深部冲击地压矿井常采用的一种煤柱留设技术。本文针对东部地区深部矿井，采用数值分析的方法，揭示了沿空掘巷窄煤柱宽度对煤柱应力场、位移场及巷道围岩变形的影响。最终确定了合理的窄煤柱宽度为5m，并提出了巷道支护对策，以期为深部巷道围岩控制提供一定指导。

关键词：沿空掘巷;窄煤柱;巷道;宽度;应力

引言

沿空掘巷技术是在上区段工作面回采稳定以后，沿上区段采空区边缘留窄煤柱掘进本区段工作面回采巷道。其被广泛应用于深部矿区，不仅可以减少煤炭资源的浪费，还可以利用屈服煤柱，降低冲击倾向性。

沿空掘巷的关键是确定合理的窄煤柱宽度。国内外对沿空掘巷窄煤柱的合理尺寸进行了大量研究。柏建彪[1]利用数值模拟得出煤柱宽度为3～5m时巷道变形量较小，Morsy[2]总结得出美国屈服煤柱宽度的经验值为6.1～9.1m。本文针对大屯煤电公司孔庄煤矿7436工作面，采用数值分析的方法，确定窄煤柱的合理宽度。

1工程概况

孔庄煤矿7436工作面开采7#煤层，平均厚度4.5m，倾角16°，埋深800m，工作面沿空掘巷1280m。7#煤层直接顶以粉砂质泥岩（1.43m）和粉砂岩（2.63）为主;基本顶为中砂岩（6.96m）灰白色，厚层状，中粒砂状结构，较坚硬，成份以石英，长石为主;直接底以粉砂质泥岩（3.14m）为主，顶板弱冲击倾向性，局部地区中等冲击。7434工作面开采时侧向支承应力峰值位于10～15m之间。

2数值计算分析

根据7#煤层的岩层参数，利用FLAC3D数值计算开挖模型。模型的尺寸：长×宽×高=600m×100m×98m，采高4.5m。采用应变软化模型，巷道开挖尺寸5m×4m，选取屈服煤柱宽度为3、4、5、6、7、8m。模型边界条件：上表面施加18MPa载荷，侧面边界施加水平位移约束，模型底面边界施加垂向位移约束。

2.1煤柱宽度与应力场的关系

巷道沿空开挖后，经过应力平衡后提取不同宽度煤柱情况下的煤柱和实体煤的应力（如图 1）。由图可知：（1）不同煤柱宽度条件下，窄煤柱中部垂直应力峰值均小于原岩应力。煤柱宽度为3～8m时，煤柱垂直应力峰值基本位于煤柱中心，变化范围为6.08～20.84Mpa，呈现明显的单峰特征，表明煤柱在载荷作用下产生破坏，没有形成稳定的承载区域，煤柱整体塑性破坏，承载能力低。（2）不同煤柱宽度条件下，对实体煤侧垂直应力影响程度很小。实体煤侧垂直应力峰值距离巷道7m，变化范围为54.22～55.06MPa，煤柱宽度对其影响程度低，采空区的侧向支承压力主要由实体煤承担。

因此，深部矿井沿空掘巷时，窄煤柱中部垂直应力峰值均小于原岩应力，煤柱整体塑性破坏。综合考虑煤柱内应力场和实际施工情况，煤柱合理宽度应该不小于5m。

2.2煤柱宽度与位移场的关系

巷道沿空开挖后，提取不同宽度煤柱向采空区侧和巷道侧的水平位移的峰值（图 2），研究煤柱宽度与位移场的关系。

由图3可知：掘巷期间，煤柱向巷道内的位移普遍大于向采空区侧位移。（1）向采空区侧水平位移峰值随着煤柱宽度的增加而不断增大。具体分为两个阶段：煤柱宽度3～5m时，增速较快，为62.8mm/m;煤柱宽度5～8m时，增速明显放缓，增量30.4mm/m。（2）向巷道侧水平位移峰值随着煤柱宽度的增加而不断增大。增速分为两个阶段：煤柱宽度3～5m时，增速较快，为72mm/m;煤柱宽度5～8m时，增速明显升高，为83.8mm/m。

当变形量超过400mm时，对巷道维护不利。根据煤柱宽度与位移场的关系特征，合理宽度为5～6m。

2.3煤柱宽度与巷道变形的关系

巷道沿空开挖后，提取不同宽度煤柱垂直于巷道断面方向上煤柱、巷道及实体煤的顶板下沉（图 3）、底鼓（图 4）、实体煤帮移进量（图 5），研究煤柱宽度与巷道变形的关系。

（1）顶板下沉。①煤柱和巷道顶板的下沉显著高于实体煤，下沉量峰值位于巷道内，随着煤柱宽度的增加，峰值位置趋向于煤柱端。②顶板下沉量随着煤柱宽度的增加单调增加，呈现明显的阶段性特征。煤柱宽度3～6m时，顶板下沉随着煤柱宽度的增大明显增加（187.2～264.2mm）;煤柱宽度6～8m时，顶板下沉量基本不变（264.2～266.0mm）。

（2）巷道底鼓量。①巷道底鼓量显著高于窄煤柱与实体煤，底鼓量峰值位于巷道内，随着煤柱宽度的增加，峰值位置由靠近实体煤趋向于煤柱端。②底鼓量随着煤柱宽度的增加基本保持不变（175.6～203.4mm）。

（3）实体煤帮移进量。提取不同宽度实体煤断面（巷道高4m）向巷道侧的移进量。①煤体煤帮位移量呈现中间高、两边低，帮底角高于肩窝的特征。②随着煤柱宽度的增大，实体煤帮移进量基本保持不变（404～424mm）。

根据煤柱宽度与巷道变形的关系，不同窄煤柱宽度对顶板下沉的影响很大，对底鼓、实体煤的影响相对较小。从巷道变形角度分析，煤柱宽度合理宽度为5～6m。

2.4合理窄煤柱宽度的确定

综合考虑数值模拟﹑矿井的实际经验和最小煤炭损失原则确定沿空掘巷窄煤柱合理宽度为5m。（1）煤柱宽度不小于5m，仍有一定承载能力，可隔绝采空区。（2）当煤柱宽度为5～6m時，煤柱两侧位移大小及变形速率较为稳定。（3）当煤柱宽度为5～6m时，巷道变形较小，有利于围岩稳定。

3 巷道支护对策

7436工作面埋深超过800m，经过分析，煤柱整体塑性破坏，处于峰后残余强度。为防止窄煤柱发生突然失稳，诱发冲击地压，应做到：

（1）提高材料的强度与预紧力，加大锚杆长度与锚固长度，保证煤柱浅部围岩的整体稳定性，控制窄煤柱巷道侧边缘稳定。

（2）局部地区基本顶为坚硬岩层，采取沿采空区边缘切断基本顶，使下方的沿空掘巷窄煤柱处于相对较好的环境内，利于窄煤柱稳定。

4 结论

（1）采用数值模拟方法研究了3～8m窄煤柱下煤柱的应力场、位移场及巷道变形特征，综合确定合理的窄煤柱宽度为5m。

（2）深部矿井沿空掘巷时，窄煤柱中部垂直应力峰值均小于原岩应力，煤柱整体塑性破坏，承载能力低。基于此，提出了加固浅部围岩、采空区边缘切顶的支护策略，保证工作面安全回采。

参考文献

[1]柏建彪，侯朝炯，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004（20）：3475-3479.

[2]MORSY K.Design Consideration for Longwall Yield Pillar Stability[D].Morgantown，WV：West Virginia University，2003.