厚煤层孤岛工作面沿空掘巷小煤柱宽度研究

马 赛

（晋能控股煤业集团浙能麻家梁煤业有限公司，山西 朔州 036000）

麻家梁矿主采山西组4 号煤，煤层厚度1.35～12.93 m。以往工作面区段煤柱宽度为38 m，临空巷道位于应力增高区，煤柱应力集中程度高，回采期间巷道矿压显现强烈，巷道发生剧烈变形，两帮移近量超过1500 mm，底鼓量超过2000 mm，制约了矿井高产高效开采。因此，研究特厚煤层综放工作面回采巷道区段煤柱的宽度，对控制临空巷道围岩变形，实现矿井安全、高效开采具有重要意义[1-2]。

小煤柱沿空掘巷技术能够解决临空巷道强矿压难题，同时可以提高工作面资源回收率，延长矿井服务年限，实现可持续发展。目前，国内外对沿空掘巷小煤柱宽度确定的研究主要有：李磊、王红胜等[3-4]基于弧形三角块建立了沿空掘巷围岩结构力学模型，推导得出合理的小煤柱宽度；柏建彪等[5-6]通过数值模拟方法确定了合理的窄煤柱宽度，认为合理的窄煤柱宽度为：软煤4～5 m，中硬煤3～4 m。

1 工程概况

麻家梁矿14203-1 孤岛工作面位于井田二采区的东部。工作面北部为二采区4 条盘区大巷，西部为14204 工作面采空区，南部为实体煤，东部为14202 工作面采空区。其中，14203-1 胶带运输巷为小煤柱沿空掘巷试验巷道，工作面布置如图1。

图1 14203-1 工作面布置平面图

工作面主采二叠系山西组4 号煤层，煤层平均埋深600 m，全煤厚度6.25～12.23 m，平均9.24 m，煤层结构复杂，含夹矸1～4 层，夹矸厚0.02～0.82 m，硬度f=1～2。直接顶为砂质泥岩，厚度为7.64 m；基本顶为中粒砂岩，厚度为7.26 m；直接底为高岭质泥岩，厚度为1.37 m；基本底为细砂岩，厚度为5.51 m。

2 小煤柱合理宽度的确定

沿空巷道留设宽度的确定是以采空区侧向支承压力分布规律为基础，合理的小煤柱留设宽度应将煤柱布置在采空区侧向应力降低区。在侧向应力降低区内距采空区xi处，煤体弹性模量为Exi；应力降低区边缘处距采空区距离为x0煤体弹性模量为Ex0；侧向支承压力峰值位置处距采空区距离为x1，煤体弹性模量为Ex1，在原岩应力区，煤体弹性模量为E0。距采空区不同距离处煤体弹性模量存在以下关系：

距采空区越近，煤体弹性模量越小，即小煤柱宽度越小，其煤体强度越低，承载能力越弱。若小煤柱宽度过大，煤柱具有较好的承载能力，但在本工作面超前支承压力和相邻采空区侧向支承压力叠加作用下，高应力集中易引起沿空巷道变形失稳。因此，小煤柱宽度的确定既要保证巷道处于应力降低区内，又要使其具备一定的承载能力，在此基础上，小煤柱宽度越小，煤柱应力集中程度越低，越有利于保持小煤柱和沿空巷道的稳定。

（1）小煤柱宽度上限确定

小煤柱宽度应保证沿空巷道和巷道周围锚杆组合支护以及锚杆与围岩组成的锚固体均在应力降低区内，因此，小煤柱宽度上限计算模型如图2。

图2 小煤柱宽度上限计算模型

煤柱宽度应满足公式：

式中：a为小煤柱宽度，m；x0为侧向支承压力降低区最大宽度，m；b为沿空巷道宽度，m；c为帮锚杆长度，m。

（2）小煤柱宽度下限确定

小煤柱应具有稳定性，并能够有效隔绝采空区，因此煤柱宽度不能过小。为保证煤柱的稳定性，除煤柱两侧的松破碎区外，还应在煤柱中部存在相对稳定区域。小煤柱宽度下限计算模型如图3。

图3 小煤柱宽度下限计算模型

煤柱宽度应满足公式：

式中：d1为煤柱在采空区侧松动区宽度，m；d2为煤柱安全系数，取0～0.5（d1+d3）；d3为煤体在沿空巷道侧松动区宽度，m。其中，d1、d3可根据钻孔窥视结果确定，对于厚煤层小煤柱两侧松动区宽度一般为1～2 m。d2应综合小煤柱煤体完整性、采取的煤体加固措施、锚杆（索）锚固要求、相邻工作面采空区侧向支承压力降低区范围等因素选取。当d1+d3≤2 时，小煤柱煤体完整性较好，围岩破碎范围较小，d2取0.3～0.5（d1+d3），小煤柱应能满足隔离采空区和锚杆锚固要求；当2＜d1+d3≤4时，小煤柱煤体完整性一般，但能够维持自身稳定和达到隔离采空区的要求，为使锚杆（索）具有良好的锚杆性能，d2取0.2～0.3（d1+d3）；当4 ＜d1+d3，小煤柱煤体完整性较差，围岩破碎范围较大，应采取注浆加固、加强支护等措施提高煤柱的稳定性和锚杆（索）锚固力，为使沿空巷道处于相邻工作面采空区侧向支承压力降低区范围内，d2取0～0.2（d1+d3）。

（3）小煤柱宽度范围确定

14203-1 胶带运输巷断面为矩形，尺寸为5500 mm×3800 mm，x0为12.65 m，b为5.5 m，c为2.5 m，d1为1.3 m，d2为0.87 m，d3为1.6 m。

将上述参数代入式（3）和式（4）计算出小煤柱宽度取值范围为3.77～4.65 m。

（4）小煤柱的塑性破坏区及应力分布特征

为全面、深入地掌握沿空掘巷不同宽度小煤柱的塑性破坏区分布特征及应力分布规律，进一步确定煤柱内沿空掘巷的合理位置。采用FLAC3D有限差分数值计算软件对3 m、5 m、7 m 和9 m 煤柱宽度进行模拟。

通过对比不同煤柱宽度下围岩塑性破坏区（图4）可得：当煤柱宽度为3 m 和5 m 时，受14204工作面回采及巷道掘进对围岩扰动的影响，煤柱内部塑性破坏区域已经相互贯通；当煤柱宽度为7 m时，可以看出煤柱仍处于塑性破坏状态；当煤柱宽度为9 m 时，煤柱内部存在2 m 左右的弹性区域。说明煤柱宽度在超过某一临界值之后煤柱内部塑性区的宽度会保持恒定，而弹性区宽度会随着煤柱宽度的增加而递增，显然在此条件下塑性区宽度的临界值为7 m。

图4 不同煤柱宽度下的塑性区分布

通过对比不同煤柱宽度下垂直应力分布（图5）可得，受14204 工作面采空区侧向支承压力作用，小煤柱产生应力集中，当煤柱宽度为3 m 时，煤柱中部1 m 范围支承压力较大，但应力值低于原岩应力，煤柱中应力值差距不大；随着煤柱宽度进一步增大（5 m 和7 m），应力分布规律与煤柱宽度为3 m 时接近，所不同的是煤柱内部应力值差距逐渐明显，高应力区域逐渐变大，所占比例也在逐步增大，但最大应力值仍低于原岩应力；当煤柱宽度为9 m 时，煤柱中部应力值已超过原岩应力。可以发现随着煤柱宽度的增加，煤柱中部的应力集中程度将进一步升高，高应力区域也将逐渐增大。因此，小煤柱宽度应处在上述应力均衡范围之内，使14203-1 胶带运输巷处在14204 工作面采空区侧向支承压力降低区内，即小煤柱的最大宽度为7 m。

图5 不同煤柱宽度下的应力分布

依据不同宽度小煤柱的塑性破坏区分布特征及应力分布规律，小煤柱的临界宽度为7 m，但该模拟条件下未考虑巷道锚杆锚固范围内的应力，因此，小煤柱宽度选取4.5 m 更为合理。

由于小煤柱内有临空调车硐室，均为外错布置（入深6 m），留设5 m 煤柱时，14203-1 胶带运输巷掘进过程中将与其导通。作为矿井第一个孤岛小煤柱沿空掘巷试验工作面，综合考虑巷道围岩应力分布和安全等各方面因素，最终将小煤柱宽度扩大到7 m，此时巷道围岩将部分处于应力增高区，设计巷道支护方案时需要提高巷道支护强度。

3 现场应用

14203-1 胶带运输巷采用“锚杆+W 钢带+锚索+JW 钢带+金属网”联合支护技术，在巷道围岩内形成连续、稳定承载结构，支护断面图如图6。

图6 14203-1 胶带运输巷支护断面图（mm）

巷道围岩变形量是衡量巷道矿压显现程度的重要指标。为及时掌握巷道围岩控制效果，掘进期间重点对围岩表面位移和顶板离层进行观测，矿压监测结果如图7、图8。

图7 巷道表面位移监测曲线

图8 巷道顶板离层监测曲线

监测结果表明：

14203-1 胶带运输巷从掘进到稳定，两帮最大移近量为530 mm，顶底板最大移近量为351 mm，两帮最大移近速率32 mm/d，顶底板最大移近速率54 mm/d，巷道开挖初期围岩变形较快，之后逐渐减小，19 d 后巷道变形速率平缓；巷道顶板离层深基点离层值最大为72 mm，浅基点离层值最大为22 mm，浅基点—深基点之间离层值最大为50 mm，且离层量小，在可控范围内。

4 结论

（1）通过理论计算和数值模拟分析了沿空巷道不同留设宽度条件下的煤柱塑性变形区和应力分布特征，同时结合现场临空调车硐室尺寸，综合考虑各方面影响因素，最终确定小煤柱的合理宽度为7 m。

（2）14203-1 工作面合理的小煤柱宽度及围岩控制技术能够满足生产需求，保证了巷道围岩安全，提高了工作面煤炭资源采出率，为矿井及朔南矿区后续孤岛工作面的沿空巷道布置提供了理论依据。