茂华万通源煤矿辅助巷道煤柱留设技术研究

李锦波，赵丽娟，毛晨东，高占彬

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003)

根据我国矿井建设经验，多数矿井对巷道采用留煤柱护巷技术居多。因为之前护巷煤柱技术的不成熟，过去留设的煤柱不太合理，损失了大部分可采的煤炭资源，所以需要改良留巷工艺技术，确定合理煤柱宽度尺寸[1-5]。各国的矿井生产实践都有其推行的方法，澳大利亚主要运用的是条带开采中留设煤柱，我国的陈炎光、陆士良教授[6]认为煤柱的宽度应大于相邻工作面开采在采空区侧的塑性区宽度、巷道开采形成的塑性区宽度和煤柱中间的弹性区宽度之和。借鉴现有的留设煤柱工艺，采用理论计算分析和FLACK 数植模拟的方法，确定煤柱的合理宽度范围。

1 工作面概况

山西茂华万通源煤矿401 采区综采工作面所在煤层为4#煤层。工作面走向长度1 110～1 370 m，倾斜长200～230 m，煤层平均厚度10.85 m，设计采高3.5 m，容重1.42 t/m³。401 采区总体呈平缓的单斜构造，在工作面顺槽掘进过程中，该工作面未曾发现断层构造，煤层开采可以顺利进行。工作面水文地质条件良好。

2 巷道围岩稳定性和变形破坏分析

采动影响改变了巷道的受力状态，并且使得反弹和压缩两种现象交替出现形成移动支撑力[7]，成为回采巷道围岩变形和破坏的主要原因。工作面上覆岩层运动及支承压力分布，见图1。

图1 老顶岩层断裂后侧向支承压力分布示意图

巷道围岩破坏的主要原因：巷道开掘位置和尺寸设计没有依据上覆岩层的运动规律和工作面支撑压力的条件下进行理论计算，盲目依靠经验设计。

3 煤柱合理宽度的计算

3.1 极限平衡计算法

按照煤巷两帮煤体应力分布规律和极限平衡理论，依据图2 的计算模型，参考矿井实测相关参数，合理的最小护巷煤柱宽度B为：

图2 合理煤柱计算宽度简图

上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度X1为：

401采区辅助回风巷与40103工作面运输巷之间煤柱合理宽度计算相关参数为：巷道高度m＝4.5 m；侧压系数A＝0.5；煤体内摩擦角φ＝30°；煤体粘聚力C0＝3 MPa；应力集中系数k＝3；巷道埋藏深度H＝267.75 m；岩层平均密度ρ＝2.5 t/m3；锚杆对煤帮的支护阻力P0＝0.1 MPa；锚杆锚入煤柱的深度X2＝2.0 m；安全系数X3＝(0.15～0.35)(X1+X2)＝0.75～1.75 m。

合理的护巷煤柱宽度为：

B=X1+X2+X3=12.54～14.72（m）。

根据以上讨论及计算，辅助回风巷和机轨合一之间合理煤柱尺寸为5.75～6.75 m。为安全考虑，取煤柱尺寸不小于7.0 m。

3.2 载荷估算法

载荷估算法认为煤柱承受的载荷来源于两部分：一是煤柱宽度对应的上覆岩层的重量；二是一侧或两侧采空区沿倾斜长度方向对应的上覆岩层宽度。计算模型，见图3。

图3 煤柱载荷计算示意图

煤柱受到上覆岩层作用的总载荷为：

式中：B 为煤柱宽度,m；D 为采空区宽度，取200 m；H为巷道埋藏深度，取267.75 m；φ 为岩层自然垮落角；ρ为岩层平均密度，取2.5 t/m3。

单位宽度上平均应力为：

煤柱极限强度的计算公式为：

式中：h 为煤柱高度，m；RC为煤体单轴抗压强度值，取30 MPa。

煤柱稳定条件是：∂y≤R。

综合式（3）、（4）、（5）可得煤柱合理宽度载荷估算解B≥16.8 m。取采空区宽度D＝6.7 m，可得煤柱合理宽度载荷估算解B≥7.5 m。

4 煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响的数值模拟

模型模拟几何尺寸：X×Y×Z=500 m×500 m×60 m；模型边界条件：不同宽度煤柱下巷道围岩变形与破坏数值模拟型在前、后、左、右及下部均为固定边界，没有水平位移，即SX=SY=0。在模型上部施加垂直应力，应力大小P=(埋深－模型的高度)×平均容重=(267－60)×2.5/100=5.175 MPa。本次计算共设计3个计算模型。对于煤体—小煤柱巷道分别模拟宽度为10、15、20 m 时巷道围岩及煤柱的破坏情况[8-9]。

首先开采上区段工作面，然后根据煤柱的大小确定沿空巷道开挖的位置，之后开采下区段工作面。由此模拟沿空巷道围岩变形与破坏规律，并确定合理煤柱尺。建立模型，见图4。

图4 数值模拟模型

数值模拟结果分析得小煤柱宽度的不同下其围岩主应力分布有所不同，见图5。由图5 可知：当401辅助回风巷与40103 采空区之间煤柱宽度为10 m时，巷道右侧顶、底板受力最大，因回采干扰，距离采空区5 m 处，表现出应力集中，并且大小主应力相差极大。煤柱宽10 m与15 m应力应变基本一致。随着煤柱宽度进一步加大，巷道离高应力区越来越远。煤柱宽度为20 m 时，巷道离开高应力区，处在应力降低区域，此时巷道顶、底板受力明显变小，巷道变形量小，巷道支护相对容易且维护简单。

图5 围岩应力分布

沿空掘巷巷道围岩侧向塑性区扩展与煤柱宽度关系，见图6。

由图6 可知：当煤柱宽度为10 m 时，401 辅助回风巷完全处于塑性破坏态，机轨合一巷约有70%左右处塑性破坏状态，煤柱绝大部分处于塑性或塑性破坏态。煤柱宽度为15 m 时，机轨合一巷脱离塑性区破坏，基本进入应变稳定区。但是401辅助回风巷底板和左右帮还处在塑性破坏区域。当煤柱宽度为20 m 时，巷道底板围岩破坏程度减轻，401 辅助回风巷左帮还处在塑性破坏区域，对整体影响较小。

图6 塑性区破坏

5 结论

（1）通过理论研究与计算，确定了401 采区辅助回风巷与40103 工作面运输巷之间煤柱安全宽度不小于17.0 m，辅助回风巷和机轨合一巷之间煤柱安全宽度不小于8.0 m；

（2）通过对比分析，确定401 采区辅助回风巷与40103 工作面运输巷之间留设20 m 煤柱以及401 采区辅助回风巷和机轨合一巷之间留设10 m煤柱。

（3）遇构造异常区域、压力异常区域，应当加强采区巷道支护，加强巷道顶板离层监测。