禾草沟煤矿沿空掘巷煤柱宽度及巷道断面设计

2022-12-06赵建兵

现代矿业 2022年11期

赵建兵

（延安市禾草沟煤业有限公司）

煤矿回采工作面之间可以通过留设小煤柱的方式，实现让压及提高回采率的目的。小煤柱的实现方式通常通过2种途径实现，一种为沿空掘巷［1］，另一种为沿空留巷［2］。沿空留巷时，将上一个回采工作面的顺槽保留，优点是基本实现了零煤柱，提高了巷道的利用率，但缺点是巷道留设困难，可能存在漏风等风险［3］。沿空掘巷时，在上一个回采工作面煤柱一定距离内，重新掘进一条新的巷道，作为下一个工作面的顺槽使用，其优点是巷道维护相对简单，漏风问题较小，但相对于沿空留巷而言，煤柱损失较大［4］。

以禾草沟煤矿为研究对象，通过对其沿空掘巷条件下不同煤柱尺寸进行数值模拟和理论计算，以探索合理的煤柱留设宽度和巷道断面形式，为矿山建设提供基础数据。

1 工程概况

禾草沟煤矿位于陕西省延安市子长县城西南18 km处，行政隶属子长县。井田面积为83.709 2 km2。禾草沟煤矿位于陕北黄土高原腹地，属典型的黄土高原地貌，井田内沟谷纵横，地形总趋势为西南高东北低，最高海拔为+1 519.0 m。最低海拔为+1 121.2 m，相对高差为397.8 m。

50114工作面位于50112工作面的南部，已回采完毕，50112工作面运输顺槽计划采用沿空掘巷方式（沿50114工作面采空区）。巷道位于5号煤层，厚度为0.51～2.95 m，平均厚度为2.19 m，属中厚煤层。50112工作面处煤层埋深平均为299 m，工作面内煤层倾角为0°～2°。煤层直接顶为油页岩（厚4.1 m），灰黑色，薄层状，水平层理，泥质胶结，易风化，垂直节理发育。煤层直接底为粉砂质泥岩（厚5.2 m），薄层状，水平层理，易风化破碎。50112工作面运输顺槽的位置与煤柱尺寸直接相关，煤柱尺寸设置较小时，由于顶板及围岩的易风化性，可能会导致漏风，煤柱尺寸较大时，会造成资源浪费。

上区段工作面采空区引起覆岩的支撑结构对煤壁一定深度的煤岩体弹塑性状态会产生很大影响。回采巷道掘进所留设的煤柱宽度决定了巷道所处围岩的原始应力环境和弹塑性状态，以及巷道掘进后支承压力的重新分布等。因此，不同煤柱宽度下的回采巷道矿压显现特征区别很大，对巷道断面及围岩控制技术需求也就不同。因此，首先采用FLAC3D数值模型模拟不同煤柱宽度下围岩位移和应力分布情况，分析煤柱宽度对巷道变形破坏的影响；然后采用极限平衡理论对小煤柱合理宽度进行理论计算；最后设计适宜的巷道断面及支护参数。

2 沿空掘巷小煤柱宽度理论分析与计算

2.1 沿空掘巷影响因素分析

在采空区侧留设小煤柱掘进巷道时，对巷道围岩应力和变形影响最大的为关键岩块。影响关键岩块断裂位置的因素很多，主要包括采高、采深、直接顶厚度、基本顶强度和厚度等，对小煤柱巷道围岩应力环境影响较大。关键岩块的断裂位置大致分为4种情况：小煤柱上方、沿空巷道上方、实体煤帮上方和采空区边缘。对于禾草沟煤矿50112工作面运输顺槽而言，采深相对较小，加之为中厚煤层，该因素影响相对较弱。但值得注意的是，其直接顶为油页岩，强度相对较高，小煤柱设计时应着重考虑。

2.2 沿空掘巷影响阶段划分

50114工作面采空区上覆岩层垮落，可能会形成弧形三角板结构，上支撑点预计位于本工作面小煤柱回采巷道附近，使得小煤柱巷道围岩受三角板结构影响，不同时期的影响程度与其状态密切相关，主要影响可分为4个阶段。①50114工作面回采后稳定阶段：50114工作面回采后，基本顶关键层沿工作面倾向形成铰接岩块结构，此时关键岩块的上支点在煤壁附近，采空区矸石逐渐被压实，煤壁受力最终达到稳定状态；②掘进巷道扰动阶段：由于50112工作面运输顺槽的开掘，巷道周边围岩应力重新分布，叠加50114工作面回采影响，形成新的应力集中；③成巷后稳定阶段：经历掘巷扰动后的围岩逐渐稳定，覆岩结构也趋于稳定；④50112工作面采动影响阶段：小煤柱回采巷道的变形主要发生在本工作面的回采期间，造成本工作面回采期间巷道变形大的主要原因是受上工作面2次扰动影响的煤柱可能处于塑性状态，在叠加本工作面超前支承压力影响时，很容易发生大变形。

2.3 沿空掘巷合理宽度计算

50112工作面采煤对小煤柱巷道的矿压显现有2个特征：超前支承压力峰值与采煤面距离一般为采高的2～5倍；超前支承压力峰值与原岩应力的比值一般为2～5。工作面的回采引起覆岩层结构的变化是超前支承压力和巷道围岩变形的根源。因此，岩层结构的稳定对小煤柱巷道稳定至关重要，反过来巷道围岩及煤柱的强度和稳定性同样影响覆岩的运动状态。

鉴于以上分析，可以结合极限平衡理论，对小煤柱合理宽度进行计算：

式中，B为煤柱宽度，m；X0为采空侧煤体的塑性区宽度为煤层采厚，取2.5 m，A为侧压系数，按泊松比为0.3计算得A=0.43，ϕ0为煤层界面的内摩擦角，取20°，C0为煤层界面的黏结力，取1.2 MPa，K为应力集中系数，取1.6，γ为岩层平均容重，取25 kN/m3，H为巷道埋深，取299 m，pz为锚杆支护对煤帮提供的支护阻力，取0.02 MPa；X3为帮部锚杆有效长度，取2.0 m；X2为煤层厚度安全富余量，按（X0+X3）×（30%～50%）计算。

根据以上条件进行估算，得到X0=2.31 m，X2=1.29～2.16 m，进而得出B=5.6～6.47 m。所以，由极限平衡理论计算得到的沿空掘巷小煤柱宽度下限为5.6 m。

3 沿空煤巷小煤柱宽度数值模拟分析

3.1 数值模型

以禾草沟煤矿实际地质条件为基础，建立FLAC3D数值模型，如图1所示。计算模型尺寸为200 m×100 m×50 m（长×宽×高），围岩本构关系采用摩尔-库仑模型，按照煤柱宽度分别为3，6，9，12，20，30 m设置6个模拟方案。

3.2 不同煤柱尺寸条件下围岩应力场分布

首先针对50112工作面回采进行模拟，待工作面开挖计算平衡后，分别在采空区边缘按6种煤柱宽度开挖沿空巷道，并再次计算达到平衡。对计算结果进行切片处理，输出不同煤柱宽度下巷道围岩垂直应力分布云图，见图2。

从图2可以看出：煤柱宽度对上区段工作面侧向支承压力分布影响显著；煤柱宽度较小时，侧向支承压力峰值位于巷道实体帮侧，较大时位于煤柱内；煤柱内应力集中随煤柱宽度的增加显著增大，煤柱宽度≥12 m时，煤柱应力集中系数达3.5；煤柱宽度为12 m时，巷道两帮应力均较大，整体处于侧向支承压力峰值区，较难维护。

3.3 不同煤柱尺寸条件下围岩位移

围岩位移能直观表现出巷道的变形区域，对整体规律的分析参考价值较高。对计算结果进行切片处理，输出不同煤柱宽度下50112运输顺槽巷道围岩竖直和水平位移分布云图，分别见图3和图4。

从图3可以看出：煤柱宽度的变化对煤柱巷道顶板下沉量和底鼓量影响显著；煤柱宽度小于20 m时，顶板下沉量表现出明显的不对称性，煤柱侧顶板下沉量大于实体煤侧；12 m时，巷道顶板下沉量超过100 mm的范围最大；煤柱宽度≥20 m时，顶板下沉量明显减小，30 m时，顶板下沉量和底鼓量均最小，说明巷道布置在30 m左右时受侧向支承压力较小，围岩变形量小；煤柱宽度为3和6 m时顶底板移近量也较9和12 m时小，说明小煤柱护巷时，巷道亦能处在低应力区。

从图4可以看出：煤柱宽度的变化对回风平巷两帮水平位移影响显著，尤其是煤柱帮；煤柱宽度小于20 m时，实体煤帮水平位移明显大于煤柱帮水平位移，最大可达煤柱帮水平位移的2倍；随着煤柱宽度的增加，煤柱内零水平位移线逐渐远离巷道帮部，且由偏巷道帮侧过渡为偏采空区侧；煤柱宽度为12和20 m时，巷道顶板中煤柱侧水平位移显著，表明巷道顶板可能处于基本顶断裂线附近，岩体受到挤压内移造成的。

综合以上结果，50112运输顺槽保护煤柱宽度在6～10 m时，煤柱处于采空区边界的应力降低区内，不但煤柱内存在弹性稳定区，零位移区域相对较大，巷道围岩变形量也较小，符合理论计算得到的5.6 m下限结果，因此最终煤柱宽度选择为10 m。

4 沿空巷道断面设计

最终煤柱宽度选择为10 m时，理论计算和数值模拟结果均显示巷道位于应力降低区内，但需要指出的是，尽管巷道应力环境有所改善，但相比于正常巷道而言，其断面选择及支护强度的设计要求仍然更高。对于50112工作面而言，其直接顶板为油页岩，虽然其强度较高，对支护起到了一定作用，但由于易风化，尤其在叠加50112工作面采动阶段影响时，对50112工作面运输顺槽围岩与支护体强度的要求将更高。另外，合理的断面形式对于围岩的稳定也会起到一定的作用。对于50112工作面运输顺槽，由于其服务年限较短，采用直墙半圆拱断面施工复杂，利用率较低，而采用矩形断面不利于沿空巷道顶板管理。因此综合考虑沿空掘巷巷道的施工工艺、顶板管理、支护以及使用要求，同时借鉴本矿井其他巷道施工实际情况，确定沿空顺槽采用圆角矩形断面，该断面既符合矩形断面施工工艺等的要求，又兼顾了顶板管理，稳定性较高，最终设计断面尺寸为5 000 mm×3 000 mm，具体支护方案如图5所示。