复杂条件沿空掘巷煤柱留设方式研究

孙殿宇

（晋能控股煤业集团潞安煤炭事业部，山西 长治 047500）

0 引 言

随着煤矿机械化智能化程度的不断提高和井下设备的持续升级，我国大部分煤矿开采强度不断提升，受煤层赋存不稳定、地质构造发育影响的矿井与日俱增。同发东周窑矿地质条件复杂，且采煤工作面之间普遍留设宽煤柱，在强动压及高静压应力环境下，出现回采巷道片帮、底鼓严重，巷道掘进效率低、返修成本大，严重制约了工作面的安全高效回采，并且留设宽煤柱造成煤炭资源利用不充分[1-2]。因此，高强度开采条件下的强矿压治理与小煤柱沿空掘巷成为目前矿井亟待解决的技术难题。

1 工程概况

1.1 矿井概况

同发东周窑井田位于山西省左云县，井田面积101 km2，矿井生产能力1 000 万t/a，矿井服务年限为65 a。可采煤层有山4、5、8-1、8-2 号，煤质以长焰煤为主。井田地质构造复杂，水文类型为中等。目前主要开采煤层为山4 号层、C5 号层。

矿井原工作面之间均留设30 m 宽煤柱，新布置8103 工作面计划留设小煤柱，进行沿空掘巷，通过优化煤柱宽度，降低回采巷道所处的应力环境，减小巷道变形。

1.2 工作面复杂地质条件特征

8103 工作面位于山西组4 号一盘区，北部为山4 号层一盘区3 条采区巷道，西部为山4 号层一盘区8102 工作面采空区，南部及东部均为实煤区。

工作面采掘过程中将受17 条断层影响，对工作面生产以及巷道的维护状况影响较大；且该区域煌斑岩侵入煤层，煌斑岩厚度不稳定；工作面煤层厚度为4.12～10.3 m，厚度变化较大，且含有多层夹矸，夹矸赋存不稳定；相邻工作面留设多个硐室，对煤柱宽度留设造成影响。因此，工作总体条件复杂。

2 沿空掘巷煤柱宽度研究

2.1 采空区侧向支承压力分布理论分析

结合东周窑矿8103 工作面现场情况，以弹塑性力学为理论基础，推导得出工作面侧向支承应力分布规律，为工作面小煤柱沿空掘巷的合理煤柱宽度留设提供理论基础[3]。

对于近水平煤层，支承压力峰值到边界距离为

式中：M为煤层开采厚度，m；β为侧压系数；φ0为内摩擦角，可取值28°；C0为煤层界面中的黏聚力，可取值2 MPa；Px为采空区对煤柱的支护阻力，可取值0。

式中：β为侧压系数；σ为最大σH水平主应力，MPa；σv为垂直应力，MPa，取11.9 MPa。

参考东周窑矿相关地质资料，综合考虑各项影响因素，令β1=1.5，β2=0.9，σy=11.9 MPa（原岩垂直应力），可计算不同侧压系数下煤厚分别为4 、5 、6、7、8 m 时的应力降低区范围，如图1 所示。

图1 不同采厚侧向支承应力降低区范围

由图1 可知，当侧压系数β=1.5，工作面开采厚度为4 、5 、6 、7 、8 m 时的应力降低区范围分别为5.35、6.69、8.03、9.36、10.70 m；当侧压系数β=0.9，开采厚度为4、5、6、7、8 m 时的应力降低区范围分别为3.21、4.01、4.82、5.62、6.42 m。随着工作面煤层开采厚度的增大，工作面侧向压力峰值向实体煤内部移动。8103 工作面煤层开采厚度平均为6.63 m，应力降低区范围为5.32～8.87 m。

2.2 采空区侧向支承压力分布数值模拟

根据J27 钻孔的柱状图，采用FLAC3D数值模拟软件，按照东周窑矿的物理力学参数建立如图2 的数值模拟模型。根据钻孔柱状图的信息，本次模型的岩层共分为12 层。模型范围设置为500 m×200 m（X×Z），左右两侧对x 方向位移进行约束，前后对y 方向位移进行约束，下部对z 方向位移进行约束，上部施加载荷模拟上覆岩层容重。沿8102 工作面煤层顶板右侧设1 条监测线，用以测定侧向支承压力。

图2 8102 工作面数值计算模型

根据东周窑矿物理力学参数结果，模拟中的物理力学参数见表1：

表1 物理力学参数汇总表

首先对8102 工作面进行回采，待工作面稳定后记录采空区右侧的侧向支承压力数值。工作面回采稳定后的垂直应力云图如图3 所示。

图3 垂直应力分布云图

由图3 可知，数值模型计算平衡后，在采空区两侧出现应力集中现象，最靠近采空区边缘处出现一定范围的应力降低区。因此，将巷道布置在应力降低区范围内将会有效改善巷道的应力环境。8102 工作面采空区稳定后侧向支承应力分布图如图4 所示。

图4 采空区稳定后侧向支承应力分布图

由图4 可以得出，山西组4 号煤层原岩应力为11.9 MPa，8102 工作面采空区稳定后所产生的应力降低区范围为8 m，应力峰值出现在距离采空区边缘14 m 处，应力峰值大小为21.0 MPa，应力集中系数为1.76。

2.3 合理煤柱留设宽度的确定

基于以上分析，小煤柱留设宽度应在5.32～8 m之间。需在该煤柱留设区间内找出最佳煤柱留设宽度。以下基于上述模型进一步进行计算，研究留设6、7 、8m 不同宽度煤柱条件下巷道变形情况，从而得到最佳方案。模拟方案示意图如图5 所示。

图5 不同煤柱留设宽度模拟方案示意图

留设6 、7 、8 m 煤柱时的巷道变形及围岩应力分布见表2 和表3。由表可知，留设6 m 煤柱时巷道变形量及围岩应力峰值明显降低。普遍较留设7 m及8 m 煤柱时减小了一个数量级。

表2 巷道变形量对比表

表3 巷道围岩应力对比表

基于上述分析，针对同发东周窑矿5103 巷的地质条件下，考虑到支护条件、煤柱的隔绝性能以及巷道的应力环境和变形量，5103 巷区段煤柱的合理留设宽度应为6 m。

3 支护效果观测及分析

3.1 小煤柱侧内部裂隙发育状况分析

根据之前所述，小煤柱巷道整体处于采空区边缘的塑性煤体中，从而使应力状态得到有效降低[4-5]。因此，为明确煤柱中的裂隙发育情况，通过钻孔窥视的方法对新掘5103 小煤柱巷道进行窥视，以观察本次5103 巷小煤柱的完整程度。分别在正巷的50、100 、200 、250 、300 、350 m 处进行观测。窥视结果如图6 所示。

图6 钻孔窥视煤体裂隙图

窥视结果可得，在1.5 m 范围内小煤柱巷道受到掘进影响裂隙发育程度较高，破碎程度较大；在1.5～2.5 m 范围内煤体仍存在一定裂隙但有明显改善；在2.5～4.5 m 范围内煤体较为完整，但局部也存在一定的破碎情况；在4.5～5 m 范围内再次出现煤体破碎情况。考虑到避免与采空区打通，因此推测直至6 m 煤体均为比较破碎状态。随后对窥视孔进行了注浆封孔，避免出现气体导通现象。

3.2 回采期间巷道支护效果观测分析

在5103 风巷内布置共2 个测站（测站A、B），观测目的为对比断层影响区及正常沿空掘巷阶段的巷道变形情况。经观测，5103 小煤柱巷道在掘进期间的初步稳定期约为13 d，且由于处于应力降低区范围内，巷道的整体变形量不大，锚杆索支护可以有效发挥作用，巷道整体处于稳定状态。因此主要分析回采期间巷道变形。

回采期间的巷道变形观测在保留掘进期间的测站基础上，设置一位于工作面切眼前方300 m 的C测站，以观测工作面回采初期的巷道变形情况。C 测站同样有3 个测点，分别表示为C1、C2、C3，距切眼距离分别为56、60、65 m。共观测20 d。C1、C2、C3测点巷道两帮、巷道顶底板移近量监测结果如图7所示。

由于C 测站位于工作面初采阶段，因此可以通过该测站初步判断8103 工作面的初次来压情况。曲线中显示，巷道两帮的最终变形量为354、189 、163 mm，平均约为235 mm；巷道顶底板的最终变形量为102 、99 、85 mm，平均约为95 mm。从变形情况来看，C 测站显示的工作面超前支承压力影响范围约为60 m。支承压力较小、巷道围岩变形得到有效控制，表明煤柱留设宽度合理，保证了工作面正常掘进和回采。

图7 C 测站巷道移近量变化曲线

4 结 论

1）基于弹塑性理论建立了复杂条件下沿空巷道力学分析模型。计算得出8103 工作面应力降低区理论范围为5.32～8.87 m，采用Flac3D对不同侧压系数条件下留设4～8 m 宽度煤柱时进行数值模拟计算，得出应力峰值出现在距离采空区边缘14 m 的位置，应力峰值大小为21.0 MPa，应力集中系数为1.76。综合考虑煤柱隔绝性、承载性以及巷道的应力环境初步确定留设6 m 煤柱。

2）在5103 巷进行了现场工业性试验，通过巷道矿压观测表明，回采期间巷道两帮最大移近量355 mm，顶底板最大移近量135 mm，巷道围岩变形得到有效控制，保证了工作面正常掘进和回采。