大采高工作面回采巷道护巷煤柱合理宽度研究

崔廷锋，张绪刚，杨志远

(1. 江苏建筑职业技术学院矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2. 中煤一建四处，江苏 徐州221163；3. 冀中能源张矿集团蔚县联丰矿业有限公司，河北 张家口 075700)

护巷煤柱宽度是矿井开拓和工作面回采的重要参数，护巷煤柱的稳定性直接影响到巷道的使用效率和维护成本、工作面的正常生产和安全管理以及煤炭的采出率。对于回采巷道的护巷煤柱而言，其宽度越大，对巷道的稳定性维护越有利，但会直接降低煤炭资源的采出率。这一矛盾在大采高工作面更值得关注。因此，兼顾巷道稳定性维护和煤炭采出率，研究大采高工作面回采巷道护巷煤柱的确定方法显得尤为重要。本文以康河煤矿6103大采高工作面为研究对象，通过理论计算和模拟分析，确定了护巷煤柱的合理宽度，为大采高工作面安全高效生产提供了理论依据。

1 工作面概况

康河煤矿6103工作面位于6#煤层，处于石炭系上统太原组第二岩段上部，工作面长度200m，推进长度1500m。6#煤层结构简单，煤类单一，整个工作面煤层稳定，平均厚度5.1m；煤层倾角0～3°，硬度系数f0=2.5，密度1.28t/m3；煤层埋深180～220m。直接顶和直接底均为砂质泥岩，厚度分别是3m和2.5m，基本顶为粗砂岩，厚度10m，基本底为粉砂岩，厚度6m。工作面采用双巷布置，如图1所示。采高4.5m，循环进尺0.85m；工作面采用一次采全高采煤方法，全部垮落法顶板管理方式。

1—6103工作面；2—护巷煤柱；3—6103工作面运输巷；4—6105工作面回风巷；5—联络巷

2 理论计算

合理护巷煤柱设计是一个比较复杂的问题，它受开采深度、煤层厚度、巷道高度和煤岩层的力学性质等诸多因素影响[1-2]，国内外还没有一种能适应不同条件的完善的设计理论和方法。目前国内外确定护巷煤柱宽度常用的理论计算方法主要有载荷估算法和塑性理论计算法三种。

2.1 载荷估算法

根据国内外研究资料，护巷煤柱所承受的载荷是由煤柱上覆岩层重量及一侧或两侧采空区上覆岩层转移到煤柱上的部分重量引起的[3-4]，如图2所示。

图2 煤柱载荷计算示意图

则煤柱上覆岩层的总载荷P为：

P=[(B+D)×H-0.25D2cotδ]γ

(1)

式(1)中B为煤柱宽度，m；D为采空区宽度，200m；H为巷道埋深，取200m；δ为采空区上覆岩层垮落角，30°；γ为上覆岩层平均体积力，根据地质资料，取2.5×104kN/m3；

确定了煤柱上覆载荷，则煤柱单位面积的平均载荷，即平均应力为：

(2)

煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷σ不超过它的极限强度R，极限强度R的计算公式为：

(3)

式中R为煤柱强度，MPa；Rc为煤的单轴抗压强度，25MPa；h为煤柱高度，3.5m；

则必须满足有：

(4)

将各参数代入式4，计算得B1≥17.2m。

2.2 塑性理论计算

护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区[3-4]，塑性区的宽度分别为x0、x1，如图3所示。

图3 煤柱的弹塑性变形区及应力分布

因此，护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤层开采高度的2倍。目前，在护巷煤柱问题的研究中，煤柱保持稳定状态的宽度一般表示为：

B=x0+2M+x1

(5)

式中B为煤柱保持稳定状态的宽度，m；x0为采空区在护巷煤柱一侧形成的塑性区宽度，m；M为采高，2M为弹性核宽度，m；x1为巷道在护巷煤柱另一侧形成的塑性区宽度，m。

运用岩体的极限平衡理论，采空区形成的塑性区宽度x0为：

(6)

将各参数代入式6，计算得x0=4.07m。

同样地，运用极限平衡理论，巷道形成的塑性区宽度x1为[5]：

(7)

将各参数代入式7，计算得x1=4.3m。

将计算的x0、x1和采高M代入式5，计算得：B2=4.07+2×4.5+4.3=17.37m

因此，通过以上两种理论计算，护巷煤柱的宽度基本确定在18m。

3 数值模拟计算

选取非连续介质模型的离散元数值计算软件UDEC 3.0(Universal Distinct Element Code)进行数值模拟计算，分析不同宽度保护煤柱对回采巷道围岩变形量的影响。

3.1 建立模型

根据地质条件，简化后建立平面模型，模型尺寸(宽×高)200m×46.5m，上边界载荷按采深200m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。煤体划分为1m×1.5m块体，直接顶划分为1m×2m块体，基本顶划分为5m×10m的块体，直接底划分为1.25m×4m块体，建立的数值计算模型如图4所示。

1-6103工作面；2-6105工作面；3保护煤柱；4-6103工作面运输巷；5-6105工作面回风巷 a-基本底；b-直接底；c-煤层；d-直接顶；e-基本顶；f-上覆岩层

回采巷道宽×高为5m×3.5m，塑料网、锚杆、锚索联合支护，基本支护参数：顶部锚杆为Φ20mm的高强度螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚深2.15m；顶部锚索为Φ15.24mm的钢绞线，锚固深度7m；帮部锚杆为Φ18mm的高强度螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚深1.95m。计算时考虑留设不同宽度的煤柱对回采巷道变形的影响，选取的煤柱宽度分别为6m、10m、14m、16m、18m、20m、22m、26m和30m。数值模拟计算过程为：建立模型→原岩应力计算→掘巷支护→应力平衡→工作面回采→工作面采动影响计算。各岩层岩石力学参数如表1所示。

表1 岩石力学参数

3.2 模拟结果分析

图5为不同煤柱宽度下巷道的变形量绘制出的曲线，可以看出：总体关系是随着煤柱宽度的增加，围岩变形量逐渐减小。在煤柱宽度小于18m区域，随煤柱宽度的增加，围岩变形量减小幅度较大；在煤柱宽度大于18m区域，围岩变形量随煤柱宽度增加也有所减小，但变化量很小，说明增大煤柱宽度对改进巷道支护效果影响不大，此时对巷道变形量起主导作用的是巷道的支护体系。考虑经济效益，确定护巷煤柱的宽度为18m。

图5 围岩变形量与煤柱宽度关系曲线

4 工程实践

通过理论计算和数值模拟，确定回采巷道护巷煤柱宽度为18m。在康河煤矿6103工作面开采过程中，对宽度为18m的煤柱的稳定性进行了现场观测，结果表明：巷道基本稳定，未进行大的维护，围岩变形量较小，能保证回采工作的安全进行。这说明煤柱的留设是合理、可行的，同时反映出理论计算及模拟结果与实际情况较吻合。

5 结语

大采高工作面回采巷道护巷煤柱稳定性直接影响着巷道的维护效果，进而关系到工作面安全生产的进行。以康河煤矿6103大采高工作面为研究对象，通过载荷估算、塑性理论计算和数值模拟计算，得出了安全合理的护巷煤柱宽度，并通过现场实践，论证了计算结果的准确性，从而为现场生产提供了技术支持，也为类似条件下大采高工作面护巷煤柱宽度的确定提供了理论依据。

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