王庄煤矿沿空掘巷煤柱合理宽度研究

李海峰，陈昭宏

(1.潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

近年来，随着煤矿开采强度的不断提高，开采深度在不断加深，井下生产条件日益困难，巷道维护难题也愈发凸显，成为制约煤矿安全、高效生产的重要因素[1-3]。王庄煤矿7105综放工作面辅助进风巷设计为小煤柱沿空掘巷，煤柱宽度的合理留设是保障巷道围岩稳定、以及工作面安全高效生产的关键，对提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限具有重要意义[4-7]。本文对此进行研究，以确定7105辅助进风巷沿空掘巷时煤柱宽度的合理尺寸。

1 工作面概况

王庄煤矿7105工作面位于71采区南部，工作面东部为漳泽水库保护煤柱，西部为71采区大巷，南部为绛河保护煤柱，北部为正在回采的7103工作面。工作面采用两进一回的“W型”通风方式，工作面平面布置如图1所示。工作面开采3号煤层，煤层平均厚度为7.2 m，倾角为1～7°，埋深430～446 m，煤岩层综合柱状如图2所示。当7103工作面回采完毕后，7105辅助进风巷留一定宽度的护巷煤柱沿7103工作面采空区边缘掘进，巷道长1 690 m，沿煤层底板掘进，与71采区胶带输送机巷相连，巷道断面为4.5 m×3.2 m的矩形，用于7105工作面的辅助进风和材料运输。

2 煤柱尺寸理论计算

煤柱承受的负荷来自于两个部分，一部分为其上覆岩层自身的重力，另一部分载荷是由煤炭采出后采空区上覆岩层转移而来。单位长度煤柱上所承受的总载荷为：

式中：P为单位长度煤柱承受的总载荷，kN；B为煤柱宽度，m；D为采空区切眼长度，m；H为回采巷道埋深，430 m；δ为采空区上覆岩层垮落角，(°)；γ为上覆岩层平均容重， kN/m3。

图1 工作面平面布置

煤柱的极限载荷为：

式中：R为煤柱承受的极限强度，MPa；Rc2为煤柱的单轴抗压强度，取煤体单轴抗压强度的1.15倍，MPa；h为煤柱高度，m。

若想要煤柱可以承受足够负荷而不破坏，煤柱的宽度就需要宽到使其所受平均负荷不超过它的极限负荷，即：

王庄煤矿7105工作面采空区切眼长度为252 m，巷道埋深为430 m，上覆岩层垮落角约为40°，上覆岩层平均容重为25 kN/m3，煤体单轴抗压强度经实验室测定为8.58 MPa，煤柱高度约为3.2 m。通过计算可得，合理煤柱宽度B≥8.08 m。

图2 煤岩层综合柱状

3 煤柱尺寸数值模拟分析

3.1 数值模型建立

结合王庄煤矿7103工作面和7105工作面的地质条件，采用FALC3D数值模拟软件建立模型，模拟不同宽度煤柱条件下的应力和位移情况，从而确定合理的煤柱宽度。

建立的模型尺寸为长×宽×高=100 m×50 m×45 m，整个模型划分为117 600个单元和123 328个节点，模型计算遵循摩尔-库伦屈服准则，模型四周为滑移边界，底部为固定边界，顶部施加γH=0.025×430=10.75 MPa的载荷。数值计算模型如图3所示。

设计煤柱宽度为5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m共8种数值模拟方案，分别构建这8种煤柱宽度条件下的计算模型。

图3 数值计算模型

3.2 模拟结果及分析

7105工作面回采期间不同宽度煤柱的垂直应力和水平应力分布曲线如图4和图5所示。由图4和图5可知：煤柱的垂直应力和水平应力分布形态相同，都是先增加到极值状态然后逐渐减小。当煤柱宽度从5 m增加到8 m时，煤柱上的垂直应力最大值从18.1 MPa增加到27.5 MPa，增加了51.9%；煤柱上的水平应力最大值从5.9 MPa增加到9.3 MPa，增加了57.6%。煤柱宽度从8 m增加到12 m时，煤柱上垂直应力最大值和水平应力最大值变化较小，最后趋于一个稳定阶段。说明煤柱宽度大于8 m时，工作面回采过程中煤柱中心存在一定宽度的完整煤体，能够承受工作面超前动压的影响，使得工作面安全回采。

图4 不同煤柱宽度垂直应力分布曲线

图5 不同煤柱宽度水平应力分布曲线

7105工作面回采期间不同宽度煤柱水平位移曲线如图6所示。由图6可知：不同煤柱的水平位移曲线形态相同，煤柱两侧水平位移大，煤柱中间水平位移小。当煤柱宽度从5 m增加到8 m时，煤柱中心线上的水平位移最大值从835 mm减小到340 mm，减小了59.2%；煤柱煤柱中心线上不存在水平位移为0 mm的点。煤柱宽度从8 m增加到12 m时，煤柱中心线上的水平位移最大值从340 mm减小到257 mm，减小了24.2%；煤柱煤柱中心线上存在一定宽度水平位移为0 mm的点。说明煤柱宽度大于8 m时，工作面回采过程中煤柱中心存在不受工作面回采影响的点。

图6 不同煤柱水平位移曲线

7105辅助进风巷围岩变形与煤柱宽度的关系如图7所示。由图7可知：当煤柱宽度从5 m增加到8 m时，巷道围岩变形随煤柱宽度增大而减小；顶板下沉量从530 mm减小到280 mm，减小了47.1%；底鼓量从200 mm减小到180 mm，减小了10.0%；实体煤帮移近量从350 mm减小到250 mm，减小了28.6%；煤柱帮移近量从835 mm减小到400 mm，减小了52.1%。当煤柱宽度大于8 m时，巷道围岩变形趋于稳定。

图7 不同宽度煤柱下巷道围岩变形曲线

根据窄煤柱合理宽度确定原则，7105沿空掘巷窄煤柱确定为8 m时，能够保证煤柱本身完整性，且巷道表面收敛程度较小，利于巷道稳定。

4 结 语

通过理论计算，得出合理煤柱宽度为8.08 m；通过数值模拟，煤柱宽度选取为8 m时，既能够保证煤柱本身完整性，利于巷道稳定，又能够减少巷道表面变形。综合理论计算和数值模拟，最终确定煤柱宽度为8 m较为合理，建议7105辅助进风巷沿空掘巷时按8 m的尺寸留设煤柱，既可以减少煤炭资源的浪费，又能够满足工作面回采的要求。