孤島工作面沿空掘巷煤柱合理寬度探討

趙振宇

（晉能控股煤業集團有限公司 山西 大同 037000）

0 引言

沿空掘巷指沿采空區邊緣掘進的巷道，不僅能提高煤炭回采率，還使巷道處于低應力區，巷道圍壓小，易維護。為了孤島工作面安全高效開采，合理確定留設煤柱寬度至關重要。近年來，不少科研學者也針對孤島工作面留設的煤柱寬度開展了深入研究。趙寧[1-4]等采用數值計算分析，確定了合理的窄煤柱寬度為：軟煤4 m～5 m，中硬煤3 m～4 m；姚博[5]構建了沿空掘巷力學模型，得出護巷窄煤柱合理寬度為4.46 m～7.3 m。8306工作面屬于厚煤層頂板堅硬，采場上覆巖層活動劇烈、內部應力集中程度高、礦壓顯現程度大，針對8304工作面回采結束后，8306工作面面臨孤島工作面的問題分析煤柱合理留設寬度，對于確保作業面的安全開采具有重要意義。

1 工程概況

王坪煤礦現開采8#煤層，平均埋深275 m，平均厚度5.9 m，容重1.4 t/m3，傾角為2°～3°，硬度2，不含夾矸，煤層賦存穩定，整體構造簡單，屬于全區可采的穩定煤層。煤層直接頂為砂泥巖，老頂為砂巖，直接底為黏土泥巖，老底為高嶺巖。

8306 工作面位于303 盤區的北部，工作面北部為已經回采的8308工作面，南部為待采的8304工作面，西部為303盤區回風巷、軌道巷和皮帶巷，東部為小峪南石門大巷。采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采的采煤方法，頂板管理采用自然垮落法。

2 孤島工作面沿空掘巷合理煤柱寬度

2.1 區段煤柱寬度的理論計算

煤柱在受到回采影響之后，是否穩定主要取決于煤體本身的極限支承壓力和采動時所引起的支承壓力，而對煤柱極限支撐力影響的最主要因素是煤柱寬度以及其高度與寬度之間的比例，巷道的圍巖變形以及煤柱的可靠性也受其影響。煤體采出后，回采空間和采準巷道在護巷煤柱兩側都會產生各自的塑性變形區，但在煤柱中心仍保持彈性應力的平衡狀態，煤柱保持穩定性的最小寬度：

式中：B為護巷煤柱寬度；x0為塑性區極限平衡寬度；x1為錨桿的有效錨固長度，取0.6 m；x2是設計安全系數對應寬度，其中x2=0.15～0.35(x0+x1)m。

基于極限平衡理論，通過充分考慮煤層賦存傾角和深度的影響，提出了煤柱塑性區寬度計算的力學模型，如圖1所示。

圖1 煤柱塑性區寬度計算力學模型

塑性區極限平衡寬度見式（2）。

式中：x0為塑性區極限平衡寬度，m；kd為煤礦開采擾動寬度系數；M為上區段巷道的平均高度；Px為窄煤柱所受到的采空區側向應力；α為煤層傾角；σyl為煤柱的極限強度；β為屈服區與核區界面處的側壓系數，與泊松比取值相關為泊松比取值0.17；φ0為煤體摩擦角；C0為煤層接觸面粘聚力；γ0為煤體平均體積力。

根據王坪煤礦8306 工作面具體地質賦存條件及經驗參數，見表1，計算得出工作面煤柱塑性區寬度為1.32 m。

表1 8306工作面8#煤層力學特性參數

然后進一步代人公式（1），x1取0.6 m，x2=0.15～0.35(x0+x1)m=0.29～0.67(m)，可以得到8306工作面沿空掘巷護巷煤柱寬度為B≥2.21 m。

2.2 煤柱合理寬度數值模擬分析

針對該礦8#煤層開采的地質要求，采用FLAC3D數值軟件構建了沿空掘巷計算模型。其模型尺寸500 m×216 m，共劃分61 000 個網格，邊界條件設置為：側向限制水平移動，底部固定，頂部施加2.5 MPa的垂直應力，以模擬上覆巖層自重。沿作業面右側煤層設置一條監測線用于監測側向支承壓力的大小，其邊界條件及測線布置如下圖2所示。

圖2 煤柱塑性區寬度計算力學模型

數值計算首先對8308工作面進行回采，其回采穩定后的應力云圖、塑性分布及側向支承壓力變化如下所示。

由圖3圖4可發現，模型計算平衡之后，在采空區兩側相應距離上發生了應力集中現象，并且在采空區邊緣8 m～9 m 區域內還產生了塑性區，在此范圍內的垂直應力要低于原巖應力。將巷道盡可能地布設在應力環境降低區范圍內，將會有效改善巷道的應力環境。

圖3 垂直應力分布云圖

圖4 塑性區范圍分布圖

由圖5可看出，側向支承壓力在70 m后趨于穩定，低于此處的應力為應力降低區范圍，高于此處的應力范圍為應力升高區。因此，在8308工作面采空區穩定后所形成的應力降低區范圍約為7 m。應力峰值出現在距采空區邊緣約14 m 的位置，應力峰值大小約為22.0 MPa，應力集中系數為1.93。

圖5 采空區穩定后側向支承應力分布圖

綜上所述，沿空掘巷應布置在應力降低區或原巖應力區，但由于布設在原巖應力區段煤柱浪費較大，因此沿空掘巷應布置在距上區段采空區0 m～7 m區域。

3 合理煤柱寬度的確定

綜合理論分析得出的王坪煤礦8306 孤島工作面窄煤柱寬度2.21 m～2.59 m、數值計算得出的采空區穩定后應力降低區寬度為0 m～7 m，并考慮2306 巷設計寬度為5.5 m，為盡量使得沿空掘巷巷道處于應力降低區內，提高煤炭資源回收率，同時考慮到礦上的實際情況，最終確定8306孤島工作面的最小煤柱寬度為3 m。

4 結語

通過采取理論計算和數值分析2種方法對孤島工作面小煤柱留設參數的分析，結合巷道設計寬度及礦上實際情況，最終確定煤柱寬度為3 m。