综放工作面区段煤柱宽度对底抽巷稳定性研究*

张鹏鹏

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030000）

大平煤业为高瓦斯矿井，为了瓦斯抽采方便，在3115 工作面和3117 工作面区段煤柱下方布置底抽巷对两个工作面瓦斯进行抽采。 在大平煤业埋深较大、顶板硬度适中的地质条件下，巷道围岩稳定性、 工作面矿压显现规律等具有显著的特殊性。 而目前在放顶煤工作面区段煤柱留设、覆岩结构特征及巷道支护理论还不够完善，工程应用上更多的依赖于经验判断，尤其是区段煤柱下方布置底抽巷后对区段煤柱围岩稳定性的影响也未有相关研究[1-3]。 因此，针对大平煤业具体地质条件，在布置底抽巷后，确定合理的区段煤柱留设尺寸及底抽巷支护技术参数是大坪煤业急需解决的问题[4-5]。

1 工程背景

大坪煤业主采3#煤层，3#煤层厚度为5.09～7.20 m，平均厚度为6.19 m，属稳定可采的厚煤层，直接顶板为薄层泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，厚度为1.77 m，老顶为细粒砂岩，厚度为10.25 m。顶板泥岩为较软岩，粉砂岩、细砂岩为较硬岩，围岩类别属中等稳定岩层。 矿井在开采过程中未发现明显的软弱层，稳定性相对较好。

大平煤业现开采的3#煤层工作面间留设煤柱宽度为20 m，瓦斯底抽巷要服务于3115 工作面、3117 工作面（巷道位置关系布置如图1 所示）。 为保证两个工作面的顺利开采，实现矿井高产高效目标，以大平煤业3# 煤层综放开采煤柱留设及支护技术研究为课题，对3115 工作面与3117 工作面之间的煤柱的稳定性、 煤柱留设宽度和底抽巷道支护技术进行研究。

图1 巷道位置关系布置平面

2 区段煤柱稳定性分析及理论宽度计算

根据区段煤柱应力分布可得知，区段煤柱的宽度L主要取决于煤柱两侧塑性区宽度L0（m）和中部弹性区临界宽度Lt（m），故煤柱的留设宽度应为：

在巷道赋存深度一定，不考虑支护影响且不计入煤体残余部分的条件下，区段煤柱的塑性区宽度范围L0可统一表示为：

式中：L1为煤柱下侧的塑性区范围，m；L2为煤柱上侧的塑性区范围，m。

如图2 所示，对于中等稳定性围岩，在不考虑ABC、DEF、FGI三部分残余煤体侧向限制影响的条件下，煤柱上下两侧塑性区宽度均可采用下式计算：

图2 区段煤柱宽度计算

此时，将公式（3）代入公式（2）中，同样得到中等稳定性围岩条件下区段煤柱的塑性区宽度为：

式（3）、（4） 中：M为煤层厚度，m；α为煤体的破断角，°；φ为内摩擦角，°。

大坪煤业3#煤层属于中等稳定性岩层，将相关计算参数代入上述公式，通过计算可求得煤柱留设宽度最小值为18.15 m，因此在大平煤业现工作面间留设的20 m区段煤柱宽度可满足正常的使用要求。 煤柱下方布置底抽巷对煤柱稳定性的影响需通过数值模拟进行相应分析，以得出最合理的煤柱宽度。

3 不同区段煤柱宽度的数值模拟分析

3.1 模型建立

以大平煤业底抽巷工程地质条件及井下位置建立数值计算模型，底抽巷位于3115 工作面运输顺槽和3117 工作面回风顺槽间区段煤柱正下方15 m位置。模型中以工作面倾向为X轴，3115 工作面和3117 工作面各取200 m；以工作面推进方向为Y轴，沿推进方向取200 m；竖直方向为Z轴，3#煤层顶板向上取67 m，向下取52 m，故整个模型尺寸为：625 m×200 m×119 m。 其中，3115 工作面和3117 工作面采空区通过充填弹性材料来模拟其上方顶板已垮落的矸石。 同时，为了防止边界对模型产生影响，模型左右两侧边界各留100 m的实体煤以模拟原岩应力区。 除顶部外，模型底部及X、Y轴方向均固定位移边界，在模型顶部边界上施加均布载荷以模拟模型上覆岩层的重量，3#煤最大埋深按500 m 计，则在模型顶部施加12.5 MPa垂直应力。 由于3#煤埋藏较深，需考虑煤岩体侧压的影响，本次模拟考虑侧压为1.2。 模型共有202 908 个单元，227 230 个单元节点，数值计算模型如图3 所示。

图3 数值计算几何模型

3.2 两侧工作面回采时区段煤柱数值模拟分析

（1）基于塑性区范围大小的区段煤柱合理宽度分析

两侧工作面（3115 和3117 综放工作面）回采时，不同区段煤柱宽度模型塑性区的分布特征如图4 所示，通过对比分析可知，3115 和3117 综放工作面回采后，区段煤柱两侧靠近采空区方向塑性变形区域明显扩大，尤其是两侧工作面顶底板附近塑性区出现了明显的连通现象，塑性区主要以剪切破坏为主。 不同之处在于，当区段煤柱宽度为15 m时，整个区段煤柱内部都发生了塑性变形，此时煤柱的稳定性大大降低，已经开始出现较大的变形、坍塌、失稳状态，两侧工作面采空区已经出现闭合、贯通现象，这必然会导致上覆岩层再次发生大的位移，甚至地表沉陷。 同时受工作面回采动压影响，两侧工作面底板下方4～5 m 范围岩层发生塑性变形，随着区段煤柱的失稳，煤柱底板下方3～4 m 范围岩层也出现塑性变形。当区段煤柱宽度增加到20 m 时，整个煤柱在两侧工作面回采动压影响下，塑性区也相对较发育，然而在煤柱的中部仍有约2～4 m 左右的弹性核存在，煤柱还是有一定的承载能力的，区段煤柱在经过锚索钢带补强支护后仍保持一定的完整性。 同时在回采动压影响下，两侧工作面底板下方4～5 m 范围岩层发生塑性变形，而煤柱下方仅在靠近两侧工作面采空区侧下方3～4 m 范围岩层发生塑性变形，煤柱中部下方底板岩层并未出现塑性变形。 当区段煤柱宽度增加到25 m 时，在区段煤柱中部的弹性区域继续增加，弹性核区域增加到6～8 m 左右，使区段煤柱能够在采空区保持一定程度的稳定状态，与此同时在两侧工作面回采动压影响下仅工作面底板下方4～5 m 范围岩层发生塑性变形，对于煤柱下方而言仅靠近两侧工作面处底板下方3～4 m 范围岩层也出现塑性变形，煤柱中部下方底板岩层并未出现塑性变形。 此后随着煤柱宽度的增加，煤柱中部的弹性核区域不断增加，稳定性也更好，煤柱中部下方底板岩层并未出现塑性变形。 对于底抽巷而言，仅仅在掘巷后其浅部1 m范围内围岩有塑性变形出现。 综上所述，对于不同宽度区段煤柱而言，工作面回采导致的煤柱周边的塑性区和底抽巷掘进后巷道周边的塑性区并不会贯通，表明在不同煤柱宽度下，底抽巷和区段煤柱之间的岩层完整性较好，有利于底抽巷的维护。

由上图4(c)～(f)可知，当煤柱宽度从25 m继续增加到40 m 时，煤柱两侧的塑性区宽度基本没有变化，只是煤柱中央的弹性区宽度增加而已。与煤柱宽度为25 m 时相比，只是弹性区宽度增加。 煤柱宽度的增加，不再影响煤柱两侧的塑性区宽度，煤柱尺寸加大仅是增加煤柱的弹性区宽度而已，对煤柱的稳定性没有影响。 虽然此时煤柱更有利于巷道的稳，但却增加了煤炭资源的损失。

图4 不同区段煤柱宽度塑性区分布特征

（2）基于应力分布的区段煤柱合理宽度分析

煤柱两侧工作面（3115 和3117 综放工作面）回采时，不同区段煤柱宽度模型垂直应力的分布特征如图5 所示。 区段煤柱受到两侧采空区顶部覆岩载荷的影响，在区段煤柱中部产生明显的应力集中现象，并且这种应力集中现象有向区段煤柱底部延伸的趋势，周围围岩应力降低主要是由于煤岩体受到上覆载荷影响，裂隙发育、 扩展贯通，应力得到有效释放，此范围内煤岩体强度显著降低，区段煤柱大于20 m 时，仍能够保持一定的稳定性，小于15 m 时，区段煤柱失稳，采空区裂隙贯通。

图5 不同区段煤柱宽度垂直应力分布特征

通过对比分析可知，区段煤柱宽度在15 m时，区段煤柱中心位置出现局部应力增高区，应力分布呈现明显的“中部高、两侧低”的单峰型应力状态，煤柱中部应力最高为42 MPa，而其周围应力明显降低，应力主要在20 MPa左右，此时底抽巷正好位于应力最高区域的下方，不利于护巷。 区段煤柱宽度增加到20 m 时，区段煤柱中部仍然为叠加的高应力区，在煤柱边缘呈现出应力降低现象。 当煤柱宽度继续增加到25 m 时，煤柱内部的应力状态呈现出由“单峰”向“马鞍形”的转变，煤柱内部开始呈现“两头大、中间小”的应力分布状态，中部的应力峰值减小到30 MPa左右。 随着区段煤柱宽度继续增加到40 m时，煤柱内部的应力分布状态仍呈现“马鞍形”，煤柱中部的应力值减小到20 MPa。

数值计算结果表明：区段煤柱分别受左、右侧工作面回采影响时，对15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m 煤柱的垂直应力分布及弹塑性变形区宽度，从塑性区发育角度来说，煤柱宽度为25～40 m时，煤柱内部弹性核区域较大，能满足煤柱稳定的要求。 对于不同宽度区段煤柱而言，在回采动压影响下，两侧工作面底板下方4～5 m 范围岩层发生塑性变形，而煤柱下方仅在靠近两侧工作面采空区侧下方3～4 m 范围岩层发生塑性变形，煤柱中部下方底板岩层并未出现塑性变形。 对于底抽巷而言，仅仅在掘巷后其浅部1 m 范围内围岩有塑性变形出现；工作面回采导致的煤柱周边的塑性区和底抽巷掘进后巷道周边的塑性区并不会贯通，底抽巷和区段煤柱之间的岩层完整性较好。 从应力角度来说，宽煤柱内部应力均为中部小、两侧大的“马鞍形”分布状态，很适合于下部进行底抽巷的布置，底抽巷所处的应力环境相对较好。30 m以上煤柱宽度虽能满足煤柱稳的要求，且有利于巷道的维护，但煤炭资源损失量大，故确定煤柱留设宽度为25 m。

4 瓦斯底抽巷支护方案确定

瓦斯底抽巷全长1 760 m，采用矩形断面，宽4.7 m×高3.3 m，断面积为15.51 m2，采用锚网索支护，破碎地段采用锚索补强，具体如下：

1）顶板支护

顶板选用直径22 mm、 长度2 500 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排5 根顶锚杆，间距1 000 mm，排距900 mm，设计锚固力120 kN，锚杆预紧力矩≥300 N·m。锚索选用直径21.6 m、长度5 000 mm 的高强度低松弛预应力钢绞线锚索，每排布置2 根，锚索垂直顶板布置，间距1 800 mm，排距1 800 mm。

2）巷帮支护

巷帮选用直径22 mm、 长度2 000 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排两帮各4 根锚杆，间距900 mm，排距900 mm。

瓦斯底抽巷支护如图6 所示。

图6 瓦斯底抽巷支护

3115 工作面和3117 工作面间煤柱宽度最终确定为25 m，瓦斯底抽巷服务于上述两个工作面的瓦斯抽采。 工作面回采过程中对瓦斯底抽巷围岩位移进行了观测，最终顶板下沉量116.8 mm、 底臌量63.5 mm、 左帮位移量98.3 mm、 右帮位移量83.3 mm，总体来说围岩变形量较小，基于底抽巷现有的锚杆（索）支护方式，可保持巷道围岩的稳定，能很好地满足两个工作面瓦斯抽采和安全使用的需要。

5 结论

当3115 工作面和3117 工作面间区段煤柱宽度为25 m 时，底抽巷所处的应力环境相对较好，在两侧工作面回采动压影响下，顶板下沉量116.8 mm、底臌量63.5 mm、左帮位移量98.3 mm、右帮位移量83.3 mm，总体来说围岩变形量较小，基于底抽巷现有的锚杆（索）支护方式，可保持巷道围岩的稳定，能很好地满足两个工作面瓦斯治理和安全使用的需要。