大采高工作面护巷煤柱合理宽度探讨

杨 瑜

（山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 临汾 041602）

1 工程概况

干河煤矿所采2#煤层平均厚度4.2 m，夹有0.55 m和0.10 m两层矸石，平均倾角6°。煤层直接底、直接顶均为砂质泥岩，老底、老顶分别为K7与K8中粒砂岩，目前2-105 大采高综采工作面进入末采阶段，巷道采用锚网索支护，2-105 工作面运输顺槽支护参数见图1。该工作面东侧临近的2-107 工作面为准备工作面。该矿工作面之间采用20 m传统煤柱进行护巷，缺乏理论依据。为了科学的留设工作面保护煤柱，现对2-105 工作面与2-107 工作面之间合理保护煤柱宽度进行研究，以求在保证2-107 工作面安全回采的基础上缩小工作面护巷煤柱的宽度，提升煤炭资源回收率。

图1 2-105 工作面顺槽支护参数

2 护巷煤柱合理宽度理论计算

极限平衡理论、弹性核理论计算法及载荷估算法为目前工作面护巷煤柱的主要理论计算方法，综合运用三种煤柱宽度计算方法得到干河煤矿2-107工作面沿空护巷煤柱的合理宽度。

2.1 极限平衡理论计算法

极限平衡理论认为沿空巷道开挖后，所留设煤柱中靠近巷道部分煤体由支护体系进行控制，靠近采空区部分煤体受应力作用而进入塑性状态，两部分煤体之间存在一定极限宽度的煤体维持整个煤柱的稳定。极限平衡理论煤柱计算模型见图1，煤柱合理宽度的计算见式（1）［1］。

图2 限平衡理论沿空巷道柱宽度计算模型

式中：X为极限平衡理论下所得合理煤柱宽度，m；X0为所留煤柱中靠近上工作面采空区煤壁无支护下产生塑性区的宽度，通过式（2）计算；X1为沿空掘巷所留设煤柱的稳定性系数，通过X1=0.3（X0+X2）计算；X2为所留煤柱靠近巷道一侧由巷道支护体系中锚杆有效锚固煤体的长度，取2.4 m。

式中：C0为煤层黏聚力，取3 MPa；λ为沿空巷道所处应力环境下的侧压系数，取1.5；m为采高，4.2 m；k为沿空巷道所处应力环境下的应力集中系数，取3；φ0为煤的内摩擦角，取18°；P0为道支护体系下煤柱帮支护阻力，取0.5 MPa；H为沿空巷道埋深，取210 m；γ为煤层覆岩平均容重，26.8 kN/m3。

参数代入式（2）得到X0=9.24 m，进而得到X1=0.3（X0+X2）=3.5 m，上述计算结果代入式（1）最终得到极限平衡理论下2-107 工作面回风顺槽沿空掘巷合理煤柱宽度应为15.14 m。

2.2 弹性核理论计算法

弹性核理论要求煤柱中部有分隔两侧塑性区的弹性区域，且煤柱中部弹性区的宽度要大于等于2 倍的煤层采高，使得弹性核理论［2］下煤柱的合理宽度由式（3）得到，即由煤柱两侧的塑性区和中部的弹性区共三部分构成。

式中：X0与上文含义相同，2m为二倍煤层采高，取8.4 m；X3为煤柱靠近巷道一侧应力作用下形成的塑性区宽度，由式（4）计算得到。

式中：α 与K 为广义Mises 准则系数，α=sinφ0/；f0为顶底板岩层与所留设煤柱间的摩擦因数，取1.1；将参数代入式（4）得到X3=0.15 m。将上述计算结果代入式（3）即得到弹性核理论下2-107工作面回风顺槽沿空掘巷合理煤柱宽度应为17.79 m。

2.3 载荷估算法

载荷估算法要求合理宽度的煤柱所具备的极限强度应大于等于煤柱所承受的载荷，才能保证煤柱的稳定性，而煤柱所承受载荷［3］由煤柱上方覆岩自重、煤柱侧向破断未垮落覆岩重量、未随采垮落覆岩传递应力共同构成，由式（5）得到：

式中：D为工作面斜长，取180 m；L为载荷估算法下的合理的煤柱宽度，m；δ为上工作面采空后覆岩垮落角，取13°，煤柱的极限强度由式（6）计算得到：

式中：RC为所采煤层煤的单轴抗压强度，取8 MPa。而煤柱所受平均应力σ=P/R。当时σ≤R，煤柱可保持稳定，联立式（5）、（6）得到B≥16.4 m。

综上，极限平衡理论、弹性核理论及载荷估算法所得2-107 工作面回风顺槽护巷煤柱的合理宽度分别为：15.14 m、17.79 m、大于等于16.4 m。为了便于现场施工，最终确定2-107 工作面护巷煤柱的合理宽度为18 m。

3 护巷煤柱合理性数值模拟分析

3.1 模型建立

通过UDEC软件［4］选用Mohr-coulomb模型结合该工作面围岩的具体力学参数，模型顶部施加6 MPa的垂直应力代替覆岩应力，建立2-107 工作面留设18 m护巷煤柱掘巷模型；模型高64 m、长160 m、宽60 m；模型四周及底部设置位移约束，对该护巷煤柱宽度下2-107 工作面回风顺槽围岩变形情况及煤柱内铅直应力的变化情况进行分析，验证18 m宽护巷煤柱的合理性，2-107 工作面围岩的力学参数见表1。

表1 2#煤层顶底板岩层力学参数

因为工作面端头处回采巷道围岩破坏受到巷道掘进和回采的双重影响，并且是决定工作面能否正常安全回采的关键部位，所以选取该处进行回风顺槽的表面位移数值模拟。回风顺槽左侧为2-105工作面采空区，中间留设18 m宽的护巷煤柱，支护参数同图1。在煤柱从沿空侧到实体煤一侧上，每隔2 m布置一个铅直应力监测点，共A1—A7七个监测点，监测煤柱内部的应力变化，并使用“十字测量法”对巷道的表面位移情况进行记录。

3.2 推进方案

第一步：运算UDEC数值模型至初始平衡；第二步：分9 次开挖左侧2-105 工作面，每次开挖10 m，整个2-105 工作面开挖过程运行19 万次达到平衡；第三步：留设18 m护巷煤柱，开挖2-107 工作面回风顺槽，模拟巷道支护采用图1 的基础支护，运行8 万步模型达到最终平衡。

3.3 数值模拟结果分析

图3 为18 m 煤柱护巷条件下巷道围岩及煤柱的应力应变特征图。其中，图3（a）为回风顺槽围岩变形情况；图3（b）为煤柱监测点铅直应力变化；图3（c）为垂直位移情况；图3（d）为水平位移情况。

图3 18 m煤柱护巷条件下围岩及煤柱的应力应变

图3（a）反映了2-107 工作面回风顺槽掘巷完成后，18 m护巷煤柱及围岩变形情况；图3（b）统计了回风顺槽掘巷前后18 m煤柱内监测点铅直应力变化情况。观察图3（b）发现，由于顺槽未开挖前的煤体的铅直应力，在顺槽开挖稳定后全部由18 m护巷煤柱承担，所以在回风顺槽开挖后护巷煤柱内各个监测点上的铅直应力都有所增加。在回风顺槽掘巷前，煤柱的平均铅直应力为6.11 MPa，在回风顺槽掘巷后，煤柱的平均铅直应力上升至9.23 MPa。7 个测点中，A1监测点的铅直应力在掘巷前为0.37 MPa，在回风顺槽掘巷后增加至1.67 MPa，该点最大铅直应力的增加量为顺槽开挖前的4.5 倍。说明煤柱在巷道开挖后能够起到良好的支承作用，18 m护巷煤柱较稳定，留设18 m护巷煤柱的方案可行。观察图（c）发现，2-107 工作面回风顺槽掘巷施工完成后，回风顺槽顶板的下沉量为0.15～0.25 m，底板的鼓起量为0.1～0.2 m。图（d）显示，回风顺槽内煤柱帮移近量为0.2～0.3 m，实体煤帮的移近量为0～0.1 m。

由以上分析得，18 m护巷煤柱在回风顺槽掘巷后所受铅直应力迅速升高，7 个测点中最大铅直应力增加至掘巷前的4.5 倍，且巷道掘进后围岩变形在合理范围内，说明煤柱在巷道开挖后能够起到良好的支承作用，18 m宽的护巷煤柱较稳定，留设18 m护巷煤柱方案可行。

4 应用效果分析

干河煤矿现场留设18 m护巷煤柱掘进2-107工作面回风顺槽，上工作面回采结束垮落稳定后，本工作面回采过程中，在超前工作面50 m处2-107回风顺槽与2-105 工作面采空区之间煤柱内布置钻孔应力计测点，煤柱内部0～18 m深度上每递增2 m布置一个钻孔应力计，共9 个，测点布置见图4。18 m护巷煤柱内支承压力分布曲线见图5。

图4 护巷煤柱内不同深度钻孔应力计布置

图5 2-107工作面回采过程中18 m护巷煤柱内部支承压力分布曲线

图5 显示，2-107 工作面回采至距测点15 m和5 m时，煤柱内侧向支承压力峰值分别为17.6 MPa和49 MPa，即距工作面越近煤柱所受支承压力越高；但是测点距工作面不同距离时煤柱内部发生应力集中的位置基本相同，图5 中煤柱距工作面15 m时煤柱内部弹性核宽度为12 m，距工作面5 m时煤柱内部弹性核宽度为11.6 m，距工作面不同距离时煤柱内弹性核宽度均大于2 倍的煤层采高，故18 m宽煤柱可以保证2-107 工作面的安全回采。

5 结语

结合干河煤矿2-107 工作面回风顺槽的具体地质条件，通过理论计算确定了该工作面合理的护巷煤柱宽度为18 m，并运用数值模拟方法对18 m护巷煤柱的合理性进行验证。现场18 m护巷煤柱内部布置钻孔应力计实测的应力变化情况表明，煤柱中部存在宽度大于2 倍采高的弹性核，可以保证2-107 工作面的安全回采，因此该工作面留设18 m宽度煤柱进行护巷合理。