挖金湾煤矿小煤柱留设以及巷道支护设计研究

杜 益

(晋能控股煤业集团 挖金湾煤业有限公司，山西 大同 037000)

留设煤柱是矿井生产中保护巷道的常用方法，留设煤柱宽度过大浪费煤炭资源，留设煤柱过小则无法保证巷道稳定。随着煤层厚度的增加，留设煤柱造成的煤炭资源浪费大大增加，合理留设小煤柱或煤墙是解决煤炭资源浪费、提高煤炭资源回收率的重要方法，但小煤柱留设面临巷道设计、支护以及维修等一系列难题[1-5]。本文针对挖金湾矿大采高综采工作面小煤柱留设尺寸以及巷道支护问题，通过数值模拟、现场检测等方法系统研究巷道支护方案，提出相应的对策，保证巷道围岩长期稳定。

1 工程背景

山西挖金湾煤矿位于秦家山村东部，东部与8105工作面采空区相邻，南部与盘区北回风巷、主运输巷、辅助运输巷相接，西部尚未开拓，北部与张家坟村保护煤柱相邻。其中4号煤层是主采煤层，平均厚度3.52 m，该煤层的直接顶板及底板强度相对较低。工作面与相邻8105工作面中间留有40～60 m的护巷煤柱，回采巷道一般沿煤层顶底板掘进，巷道断面较大，最大断面可达30 m2，给支护带来困难。当前矿井生产存在以下技术难题。

1) 工作面巷道及围岩严重破坏，煤壁片帮致使工作面出现网兜状；底板鼓起须进行大量的返修工作；

2) 工作面推进时顶板垮落现象加剧，超前支护难以进行，顶板管理十分困难，安全隐患相对较大；

3) 护巷煤柱宽度大，煤炭资源浪费严重。

2 煤柱合理尺寸研究

2.1 煤柱应力分布规律

采掘活动改变了煤岩层的原始应力状态，打破了应力平衡状态，使三维应力场向深部转移，易使护巷煤柱出现应力集中，导致煤柱出现“破裂-塑性-弹性”的明显分区，煤柱上的铅直应力与煤柱边缘到弹性核的距离呈指数关系增长。根据极限平衡理论，支承压力峰值与煤体(煤柱)边缘之间的距离为：

(1)

矿井实际生产数据研究表明：X0的区间范围在3～20 m，通常情况下在5～12 m，应力降低区宽度2～7 m。煤柱应力集中状态以及承载能力主要受采高、煤柱宽度以及埋深等因素影响，影响应力分布状态主要有3种。当B>2L时，煤柱两侧应力出现峰值，中心应力则分布均匀，且为原岩应力γH，煤柱边缘应力集中，煤柱从边缘到中央，区域分布一般为破裂区、塑性区、弹性区、原岩应力区[7]；当L

2.2 支承压力分布规律

护巷煤柱的应力分布状态与强度直接影响工作面区段巷道护巷煤柱的尺寸设计与支护工艺方法的选择。为掌握护巷煤柱支承压力的分布规律，设计了现场实测方案，于8107运输巷与8105回风巷之间区段煤柱进行了侧向支承压力的现场测试，测试过程及结论如下。

采用KSE—Ⅲ型钢弦压力记录仪及其采集仪，观测8107工作面推进过程中侧向支承压力的分布特点，侧向支承压力的实测区域位于8107运输巷与8105回风巷之间的区段煤柱，应力计布置如图1所示。

图1 支承压力测区布置(mm)

煤柱应力演化规律，采动对护巷煤柱的应力分布影响巨大，在实测过程中采动影响距离达到76.2 m，应力集中系数最大达到1.9。护巷煤柱应力分布特征为“马鞍型”，应力峰值位于8105巷道22.1 m处，峰值应力为17.7 MPa，8107巷道侧的应力峰值为17.1 MPa，位于巷帮内12 m处，窄煤柱护巷煤柱尺寸范围应在5.6～7 m。

2.3 小煤柱合理尺寸的数值模拟

根据山西挖金湾煤矿4号煤层综采工作面地质概况，利用FLAC3D数值模拟软件，数值结构取300 m×200 m×100 m(长×宽×高)的准三维模型，模型共计57 160个计算单元，82 400个单元节点。通过边界条件控制位移变形，模型底部和侧面限制水平与垂直方向的位移，在上部添加等自重的垂直应力。模拟按照煤柱留设尺寸分为5 m、10 m、20 m、30 m 4种情况，各条件下垂直应力分布云图如图2所示。

图2 煤柱垂直应力分布云图

护巷煤柱宽度为30 m时，应力分布呈“马鞍形”状态，侧向支承压力峰值在相邻巷道帮部8.6～10.1 m范围内；当护巷煤柱为20 m时，侧向支承压力峰值在相邻巷道帮部8.2～12.1 m范围内；当护巷煤柱宽度为10 m和5 m时，应力叠加导致载荷集中系数较大，10 m宽煤柱的弹性核X0为3.76 m，5 m宽煤柱的弹性核X0为1.78 m。

当煤柱宽度为5 m时，煤柱基本处于全破碎状态，承载能力大幅下降，弹性核消失，使护巷煤柱承载的应力逐渐向两侧煤体深部转移。根据上述理论计算、数值模拟和现场测试的数据，提出了设计矿井护巷煤柱宽度为6 m，小煤柱护巷支护效果模拟如下。

工作面两巷掘进支护后的位移变化如图3(a)所示，直接顶位移变化较大，巷道周边岩体的位移变化总体较小；图3(b)为工作面开采完成后的围岩位移云图，工作面区段巷道断面变形十分严重，巷道断面压缩20%的条件下，6 m宽的小煤柱侧的巷道稳定性较好。

图3 位移变化云图

3 巷道支护设计

3.1 巷道参数设计

山西挖金湾煤矿4号煤层工作面护巷煤柱宽度为40～60 m，掘进时多采用底板掘进，巷道断面相对较大，两巷的超前支护多采用棚子支护，应用单体液压支柱配合板梁、木垛支护，支护效率较差，巷道返修量大，返修频率高。宽煤柱的护巷效果差，导致大量资源浪费。合理确定小煤柱留设尺寸，优化该条件下的巷道支护技术是高效安全生产的重要举措。基于上述研究结果，设计在8107、8105两巷之间留设宽度为6 m的小煤墙，其设计断面尺寸为4.4 m×3.2 m(宽×高)。

3.2 现场实验监测

巷道顶底板移近量测试结果表明，掘巷过程中巷道的顶板变形量多小于10 mm，工作面向前推进时，两帮及顶底板的位移量急剧增大。现场监测点安置在距切眼80 m范围的8107运输巷道的顶底板位移变化曲线，如图4(a)所示。在14测区1号测线位置下出现位移峰值，为450 mm。8105回风巷道8-9测区顶底板位移曲线如图4(b)所示，位移量不大，均小于160 mm。随着先前推进，位移量有所增加，老顶来压过后，顶底板位移量增加趋势减小。

图4 巷道顶底板移近量

4 结 语

1) 护巷煤柱的宽度与开采高度以及煤层埋深是相互耦合的关系，随着宽度的减小，煤柱上的应力分布曲线形状从双驼峰形到马鞍形再到单峰形逐步变化。

2) 4种不同煤柱宽度的数值模拟结果表明，30 m煤柱时，煤柱应力分布呈“马鞍型”，其侧向峰值应力分别位于相邻巷道帮部8.6～9.1 m；10 m和5 m煤柱时，弹性核宽度分别为3.76 m、1.78 m；5 m煤柱时，弹性核消失。

3) 理论分析、数值模拟和工程类比相结合的研究方法证明8107工作面留设6.0 m煤柱是可行的。现场监测位移量变化过程表明：位移量变化随着工作面向前推进而增大，距离切眼80 m范围内下沉位移量出现峰值为450 mm。