沿空留巷煤柱合理预留宽度研究

李庆卯

（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 霍州 031400）

0 前言

我国国土面积辽阔，资源储量丰富，但整体呈现不均态势，据统计我国煤炭资源的年开采量及使用量均位居世界前列，同时考虑到我国实际国情及发展趋势，在未来几十年里，我国煤炭主体地位不会发生改变。在2020 年，全世界煤炭的需求量超过90 亿t，而我国的煤炭需要求量占据全国的5 层以上，且在2040 年占比仍不会小于40%。在多年的开采过程中，众多开采难题制约着发展，其中沿空留巷煤柱留设稳定性是一个较为突出的问题。沿空留巷是指利用上个采空区的运输巷道或者回风巷道为下个工作面开采提供条件的一种技术，但受到工作面采动影响，此时留巷极易发生垮落变形，留巷煤柱上方覆岩在达到承载极限后会发生断裂，严重影响煤柱稳定性[1-2]，造成巷道报废，严重困扰着煤矿安全生产，所以针对沿空留巷煤柱留设宽度进行研究对于留巷成功与否十分关键[3-4]，此前众多学者对此进行过一定的研究，本文基于前人的研究，对煤柱合理留设宽度进行分析，为矿井安全提升，效益提升做出一定的贡献。

1 模拟研究

工作面在回采后，此时的煤柱的应力分布情况不仅与巷道掘进和工作面回采支撑压力有关有关，同时其与煤柱宽度有着密切的关系，煤柱与煤柱宽度有关，支撑压力与煤柱宽度存在三种情况。

1）当煤柱宽度较小时，支撑压力范围会超过煤柱宽度，煤柱塑性区域增大，由于回采及掘进的影响使得煤柱两侧的支撑压力暴增，煤柱承担载荷较大，随着支撑时间的不断推移，此时由于覆岩和采动双重作用下，煤柱稳定性进一步被破坏，但塑性区域发生贯通时，煤柱无法承担载荷，从而发生失稳破坏，严重威胁着矿井安全。

2）当煤柱宽度较大时，此时支撑 压力影响范围小于煤柱宽度，在巷道回采及掘进双重作用下，此时煤柱两侧的支撑压力值仍会升高，达到支撑压力的峰值，但此时煤柱中间部位仍为弹性区域，煤柱的支撑压力呈现出类似“马鞍”形态，能承担较大荷载，此时巷道稳定性得到有效保障。

3）当煤柱宽度极大时，此时支撑压力影响范围远小于煤柱压力影响范围，巷道掘进和回采的影响下煤柱两侧的支承压力仍会升高，达到支撑压力峰值时，此时的弹性核区的支撑压力原低于原岩应力。在支撑压力作用下，煤柱会出现破坏区、弹性区、塑性区、原岩应力区，此时煤岩的边缘塑性区随着支撑压力的增大逐步扩展，但由于弹性核区宽度很大，所以能够有效支撑，但考虑到此时的经济成本，此方法并不适用。

以山西焦煤霍州煤电辛置煤矿2-212 综采工作面为研究背景，巷道的尺寸：顶宽5.2 m，底宽5 m，左右帮分别为2.5 m 和2.2 m 的梯形，支护采用锚网支护：顶板锚杆采用Φ24 mm×2 000 mm 的锚杆，排距为0.8 m，共布置6 根，两端锚杆与巷帮角度为20°布置；巷道的左右帮锚杆长采用Φ24 mm×2 400 mm 的锚杆，共布置3 根，帮部锚杆的排距为0.85 m，左右帮距离顶板0.5 m，角度为20°布置，右帮底端锚杆距底0.8 m，左帮距底板1 m，在不影响计算的情况下适当进行模型的简化，对模型进行力学参数设定及边界条件设定，完成上述设定后对合理煤柱宽度进行模拟分析，选择煤柱宽度3 m、5m、7m、9m、12 m、15 m、18 m和20 m 八种方案，分别对不同煤柱宽度下水平及垂直应力分布进行分析，应力曲线如图1 所示。

图1 不同煤柱宽度下水平及垂直应力曲线

由图1 中可以看出，随着煤柱留设宽度的不断增加煤柱内部的垂直应力呈现出逐步增大的趋势，当煤柱留设宽度为3～5 m 时，此时相比较而言垂直应力整体变化趋势不大，而当煤柱留设宽度增大至5～9 m时，此时煤柱的应力从10 MPa 增大至16 MPa，继续增大煤柱留设宽度至9～18 m，此时煤柱内的垂直应力快速增大，最大应力达到29.8 MPa，当煤柱留设宽度增大至20 m 时，此时的最大应力变化相比与煤柱宽度18 m 时并无明显变化，同时煤柱留设宽度为5 m时，此时的煤柱中部会形成一定面积的应力核，长。观察水平应力随煤柱宽度变化趋势可以看出，随留煤柱宽度增加，水平应力呈现逐步增大的趋势，在煤柱宽度3～5 m时，水平应力增大的幅度较小，而在煤柱宽度7～15 m，水平应力急剧增加，水平应力过大极易造成煤柱发生剪切破坏，发生失稳，煤柱宽度为15～20 m，增幅又变缓。

对煤柱宽度4 m、6 m、10 m、15 m 时的巷道两帮水平位移量进行研究，绘制不同煤柱宽度下的煤柱水平位移曲线如图2 所示。

从图2 中可以看出，随着煤柱宽度的增大，此时随着煤柱宽度的增大，煤柱变形量呈现先减小后增大的趋势，当煤柱宽度为4 m 时，此时煤柱处于巷道侧向采动压力降低区，由于采动的影响此时的煤柱变形较为严重，煤柱失去承载能力破坏，此时煤柱的变形为几种煤柱宽度下的最大值，当煤柱宽度增大至10～15 m 时，此时由于处于侧向压力的峰值区，使得其变形量仍然较大，明显大于煤柱宽度6 m 时的煤柱变形量，所以最终确定柱宽度取6 m，在煤柱宽度6 m时，此时煤柱虽会受到一定的侧向采动影响，但由于其处于采动影响的应力降低区位置，并不会出现较大的失稳变形，对于巷道稳定性的维护较为有利，同时煤柱宽度为6 m 时，经济效益较为合理，所以选取煤柱宽度6 m 能够满足矿井安全生产的需求。

2 工业应用

对煤柱留设宽度6 m 进行工业验证，巷道的顶锚杆选用Φ22 mm×2 400 mm 左旋高强锚杆，每排布置6 根，设置间排距为800 mm×800 mm，两外侧锚杆向外成15°打设，采用尺寸为150 mm×150 mm×10mm的高强度拱形托盘。巷道的两帮采用Φ20 mm×2 200 mm 高强玻璃锚杆，每排4 根，间排距800 mm×800 mm，锚杆垂直墙体打设。巷道的顶锚索采用Φ17.8 mm×8 300 mm 的锚索，沿顶板“2—1—2”布置，锚索间排距为3 000 mm×800 mm，同样配套高强度托盘，同时在顶部铺设金属网片，网格为100 mm×100 mm，煤柱帮采用Φ15.24 mm×4 300 mm 的锚索，沿巷道走向布置，配套使用300 mm×300 mm×16 mm 托盘。在巷道每隔20 m 布置监测点，用于监测巷道围岩变形量，监测的数据如图3 所示。

图3 监测数据曲线

由图3 可以看出，在沿空掘巷期间，此时巷道围岩表面的变形情况呈现明显的阶段性特征，在不同时间段内变化趋势大不相同，在（0～160 m 范围内）此时为变形剧烈阶段，此时工作面采空区顶板剧烈活动，未完成稳定，巷道围岩受到掘进的影响出现大面积的塑性变形，甚至破坏，围岩的变形也呈现急剧变化趋势，巷道围岩表面围岩变形大多产生与本阶段。在此阶段内，巷道的两帮及顶底板移近量分别达到218 mm、139 mm，此时观察变形速度曲线可以看出，此时的顶底板及两帮变形速度均较大，分别为7 mm/d 和11 mm/d 左右，两帮的移近量中主要以煤柱移近为止，煤柱移近占据整体两帮变形的6 成左右。在160 m 范围外时，此时为相对稳定阶段，此时的采空区顶板完全垮落，活动稳定，围岩的应力环境得到有效改善，围岩局部趋于稳定，在此阶段整体围岩变形不会发生较大的波动，围岩的变形速率保持在2 mm/d 左右，对整体累积变形量影响较小。整体观察巷道围岩表面的围岩变形情况可以看出，整体变形保持在可控区域，对于整体留巷较为有利，所以最佳煤柱宽度6 m 方案可行。

3 结论

1）根据对不同煤柱宽度下围岩垂直应力及水平应力呈现随着煤柱留设宽度的不断增大的趋势。

2）随着煤柱宽度的增大，此时随着煤柱宽度的增大，煤柱变形量呈现先减小后增大的趋势，煤柱宽度为6 m 时煤柱位移量最小。

3）在煤柱宽度6 m 下，随着距离采空区距离的减小，巷道围岩表面的变形情况呈现明显的阶段性特征，但整体变形量处于可控范围。