特厚煤层综放工作面小煤柱留设合理宽度研究*

沈玉旭，张文阳

(1.山西能源学院， 山西 晋中市 030600；2.晋能控股集团煤炭产业部， 山西 大同市 037003)

0 引言

煤矿为保持回采巷道稳定，防止漏风和相邻采空区瓦斯等有毒有害气体涌出，区段间采用留设保护煤柱护巷，煤柱宽度一般都在30 m左右，对瓦斯治理和煤层自燃发火的防治起到了较好的效果，但是工作面顺槽矿压显现强烈，巷道变形、冒顶严重，影响着矿井的安全高效生产，且两工作面保安煤柱较宽，资源浪费严重，煤柱损失高达 10%～30%[1-4]。针对以上实际情况，国内学者做了大量的研究，开展了综放工作面沿空掘巷技术研究，确保工作面防火以及瓦斯治理达到要求，同时，为实现小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、经济合理、技术可行的方案，也做了一些特厚煤层综放工作面沿空掘巷的基础理论和关键技术的研究[5-14]。

针对某矿回采巷道变形严重，甚至局部底鼓，煤柱尺寸过大，煤炭资源损失严重等问题，以8204工作面回风巷煤柱留设为研究对象，通过理论计算和数值模拟，确定合理煤柱尺寸。

1 工作面概况

8204工作面主采3号煤～5号煤，煤层埋深500 m左右，平均厚度17.09 m，平均倾角3°，工作面长 235 m，距最近断层垂直距离 30 m，顺槽长度870 m，高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性，容易自燃，采用综采放顶煤采煤方法，一侧为 8206工作面，已采。

3～5号煤层结构复杂，节理裂隙发育。煤层基本顶为粉砂岩，厚度达30 m以上，f=11.6，局部赋存岩浆岩，厚度为0.4 m～1.8 m，中夹1～2层煤线；直接顶为细-中砂岩，厚度为0.51 m～30 m，f=10.7，局部夹薄层粉砂岩或多层煤线；伪顶为泥岩，厚度为0.01 m～0.5 m；直接底为细砂岩，厚度为0 m～5.52 m，f=10.7；老底为中、粗砂岩，厚度为5.2 m～10.90 m。

2 理论计算

为了保证巷道围岩稳定，控制巷道变形量，避免支撑压力的影响，传统的大煤柱巷道围岩变形严重，不能满足要求，把巷道布置在围岩应力降低区，不仅可以减小煤柱的宽度，同时可以提高煤炭回采率。煤柱两侧由于支撑压力影响都有破碎区，煤柱内部也有塑性区，锚杆支护的锚固段需要布置在稳定的区域内。如果煤柱宽度太小，锚固段煤层破碎，难以形成足够的锚固力，从而难以保证煤柱的稳定性。因此，煤柱宽度的布置既要保证煤柱布置在应力降低区，减小煤柱宽度，又要保证煤柱的稳定性。小煤柱宽度计算公式见式（1）。

式中，B为小煤柱宽度，m；x1为上区段煤柱侧煤体破碎区域宽度，m；x2为本区段煤柱侧锚杆支护有效长度，m；x3为安全系数宽度，x3=（0.15～0.35）（x1＋x2），m。

经计算，小煤柱宽度B=6.89 m～8.12 m，此工程条件下合理的小煤柱宽度为8 m左右。

3 数值模拟

3.1 模型建立

本次使用大型岩土软件FLAC3D模拟8204工作面及其周边煤岩体，采用莫尔库仑模型。计算模拟长度400 m，宽度300 m，高度200 m，X方向为工作面长度方向，Y方向为工作面推进方向，Z方向为垂直地面方向，工作面长180 m，向前推进150 m，煤层厚度 15 m，巷道尺寸 5 m×3.5 m，共划分了96523个单元和106432个节点。

为了使数值模拟更加接近实际情况，该模型的顶底板岩石力学参数为实际工程地质条件煤层顶底板岩石力学参数，分别模拟未开挖和5 m、10 m、25 m小煤柱时巷道周围围岩受力、变形和破坏特征。

为了消除边界效应，本次模拟四周限制水平位移，底部为固定边界，限制水平和竖直位移移动；模型上部施加自重应力载荷 10 MPa（2.5 MPa/100 m）；煤层初始垂直应力为12.5 MPa（2.5 MPa/100 m），水平应力为6.25 MPa（1.25 MPa/100 m）。

3.2 模拟结果

（1）未开挖时巷道周围应力分布。由图 1和图2可知，巷道周围未开挖时，围岩的应力分布曲线随着距离的增加垂直应力也在增加，距离巷道35 m以外后应力趋于稳定，峰值强度24 MPa，0～10 m范围内围岩垂直应力较小，煤层比较稳定，利于下区段巷道维护和安全生产。

图1 巷道周围垂直应力分布

图2 巷道周围垂直应力曲线

（2）不同尺寸煤柱巷道周围应力分布。由图3～图 6可知，沿空巷道开挖后，巷道周围的垂直应力分布曲线整体趋势没有发生变化，峰值强度也没有太大变化，只是垂直应力峰值向煤体深处转移。由图5可知，10 m小煤柱和5 m小煤柱比较，围岩应力降低区更大，更适合布置下区段巷道。由图6可知，大煤柱不利于巷道周围应力降低区的扩展，反而缩小了应力降低区范围，同时围岩的垂直应力也增加，不利于下区段巷道的布置，巷道维护困难。

图3 留5 m小煤柱时巷道周围垂直应力分布云图

图4 留10 m小煤柱时巷道周围垂直应力分布云图

图5 不同小煤柱巷道周围垂直应力曲线

图6 小煤柱和大煤柱巷道周围垂直应力曲线

根据数值模拟结果分析可知，8204工作面回风巷与上区段煤柱宽度应在10 m以内。

4 现场观测

根据理论计算和数值模拟结果分析，8204工作面回风巷与上区段煤柱宽度最终定为8 m。

（1）钻孔窥视。采用 GD3Q-GM 型钻孔窥视仪，分别观测本阶段工作面采前不同的范围煤体破裂情况，在8206工作面5206巷前方100 m处起沿回采方向上10 m、15 m、20 m、25 m和30 m处布置5个监测区，各监测区分别布置3个钻孔，孔深为15 m。

钻孔窥视结果显示，小煤柱内部裂隙发育，但煤柱整体性较好。

（2）巷道位移量。对8204工作面回风巷掘进后观测巷道两帮和顶底板移近量，采用“十”字交叉法进行观测，在顺槽内布置4个测区，每个测区布置3个测点，测点间距10 m。

观测结果显示，掘巷期间巷道两帮最大移近量65 mm，顶底板最大移近量57 mm，两帮移近量大于顶底板移近量，巷道变形量较小。

5 结论

（1）经理论计算、数值模拟以及现场观测证明，留设8 m小煤柱合理，并提高了煤炭采出率，增加了经济效益。

（2）小煤柱内部裂隙发育，但煤柱整体性较好，密闭性较强。

（3）掘巷期间巷道两帮最大移近量61 mm，顶底板最大移近量55 mm，两帮移近量大于顶底板移近量，巷道变形量小。