浅埋中厚煤层护巷煤柱合理宽度研究

蒋力帅，刘洪涛，连小勇，张卫伟

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083)

式中，Vp为煤体的纵波速度;Vs为横波速度;E为弹性模量;μ为泊松比;ρ为煤体重力密度。

测定巷帮松动圈可以为合理煤柱宽度的数值模拟及理论计算提供实际依据。为此，在昌汉沟矿203工作面进风巷掘进过程中进行了巷帮松动圈测试，测点分别距掘进工作面20m，30m，40m，测试钻孔处于巷道的两帮腰线位置，孔深4m，直径42mm。203进风巷与202运输巷之间为护巷煤柱。

203进风巷受掘进影响期间，随着与掘进头距离的增加，松动圈范围有增大的趋势。进风巷煤柱帮的松动圈为 0.9～1.1m，实体煤帮为 0.8～1.0m，煤柱帮的松动范围略大于实体煤帮，松动圈范围不大，见表2。实测分析表明，浅埋中厚煤层矿山压力较低，巷道矿压显现较小，目前采用20m的护巷煤柱明显偏大，应该研究提出合理煤柱宽度。

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浅埋中厚煤层护巷煤柱合理宽度研究

蒋力帅，刘洪涛，连小勇，张卫伟

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083)

针对浅埋、中厚煤层的工程背景，采用实测分析、数值模拟、理论计算等方法，研究了护巷煤柱的矿山压力特征，确定了煤柱合理宽度。研究表明:浅埋中厚煤层矿山压力较小，巷道矿压显现较轻，煤柱宽度15～25m时，两侧采动应力未明显叠加，弹性核宽度较大;当煤柱宽度小于10m时，两侧采动应力叠加严重，弹性核宽度较小;开采深度80m，120m，160m时，煤柱合理宽度分别为12m，13m，14m。

浅埋深;护巷煤柱;煤柱宽度;应力分布

护巷煤柱宽度对巷道围岩稳定性、资源采出率、经济效益等都有着十分显著的影响，确定煤柱宽度是巷道支护设计的重要部分［1］。为了实现高效开采，神东煤炭集团公司回采巷道普遍采用双巷掘进和维护方式，相邻工作面回采巷道之间留设煤柱。在昌汉沟煤矿浅埋深、中厚煤层地质条件下，矿山压力及护巷煤柱合理宽度有其自身的特点［2］。针对昌汉沟矿4－1上煤层地质条件，采用实测分析、数值模拟、理论计算等方法，研究了护巷煤柱的合理宽度，为优化四煤组的巷道布置提供了依据，具有重要的应用价值。

1 工程地质条件

神东集团昌汉沟煤矿地处鄂尔多斯地区，可采煤层为9层，除5－1煤层外，其余煤层厚度大部分在2.2m以下，约占井田储量的69.4%。四煤组的4－1上，4－1，4－2中三个煤层均为中厚煤层，可采厚度分别为0.80～5.05m，0.80～5.23m，0.89～2.86m，平均可采厚度分别为1.94m，2.11m，1.78m，可采范围内煤层厚度一般为1.7～2.2m，煤层地质构造简单，倾角平缓，一般小于3°。4煤组处于浅部侏罗纪煤系地层，煤层埋藏浅，埋藏深度大多数在80～150m。

4－1上煤层201工作面煤层厚度1.7～2.4m，埋深35～90m，属于浅埋煤层。采用TYGD10型岩层钻孔探测仪对201工作面及相邻的202工作面进风巷进行的顶板探测表明，直接顶为细砂岩，厚度0.7～4.9m，平均1.8m;基本顶为中粒砂岩，厚度1.9～7.1m，平均5.4m。顶板中含有多层薄的泥岩夹层，水平节理发育。煤层力学参数见表1。顶板岩性在观测孔深范围内为细砂岩和中粒砂岩，泥质胶结，固结度差。采用XP－Y型偏光显微镜分析了含煤岩系的岩石学特征，表明昌汉沟矿区沉积岩的结构成熟度及成分成熟度较低。4－1上煤层回采巷道采用双巷掘进和维护方式，护巷煤柱宽度为20m，长壁后退式综合机械化采煤。

表1 煤岩力学参数

2 巷道矿压显现实测分析

在201工作面开采过程中，对202工作面进风巷进行了顶板深基点位移及锚杆锚索受力监测，如图1所示，顶板深基点位移测点布置在距工作面50m，100m，150m，200m处，锚杆锚索受力测点布置在距工作面100m，200m，300m处。图中圆点表示在巷道两帮距底板1.5m位置各打一个孔深4m、孔径27mm的帮孔，安设断面深基点观测站。监测结果表明，在受201工作面采动影响的130～180d内，各测点的顶板下沉量为2.6～37.1mm，平均17.2mm;锚杆锚索受力都在初锚力的水平上，呈现水平稳定趋势。巷道变形量小，完整性较好。

图1 202进风巷测点布置

围岩松动圈大小是反映巷道稳定性的综合指标，松动圈测试实质上是应用超声波在不同介质中传播速度的不同来预测围岩的破坏情况，当煤体的尺寸较小、作用外力较小时，相应变形也较小。根据超声波纵波波速与介质的弹性参数之间的关系式(1)和式 (2)可以看出超声波在煤体中的传播速度与煤体的弹性模量、泊松比以及密度有关，而煤体的弹性模量、泊松比和密度与煤块自身抗压强度、密实程度直接相关，因此煤体的波速就可以间接反映煤块抗压强度以及内部破坏情况，通过回采巷道两帮不同深度处声时和波速的变化规律，可以确定巷道周围围岩的松动圈大小。

式中，Vp为煤体的纵波速度;Vs为横波速度;E为弹性模量;μ为泊松比;ρ为煤体重力密度。

测定巷帮松动圈可以为合理煤柱宽度的数值模拟及理论计算提供实际依据。为此，在昌汉沟矿203工作面进风巷掘进过程中进行了巷帮松动圈测试，测点分别距掘进工作面20m，30m，40m，测试钻孔处于巷道的两帮腰线位置，孔深4m，直径42mm。203进风巷与202运输巷之间为护巷煤柱。

203进风巷受掘进影响期间，随着与掘进头距离的增加，松动圈范围有增大的趋势。进风巷煤柱帮的松动圈为 0.9～1.1m，实体煤帮为 0.8～1.0m，煤柱帮的松动范围略大于实体煤帮，松动圈范围不大，见表2。实测分析表明，浅埋中厚煤层矿山压力较低，巷道矿压显现较小，目前采用20m的护巷煤柱明显偏大，应该研究提出合理煤柱宽度。

表2 203进风平巷松动圈

3 煤柱塑性破坏区及应力分布情况研究

3.1 数值模拟方案

以4－1上煤层条件为基础，采用FLAC3D数值计算软件模拟双巷掘进、煤柱护巷方式的采动影响，分析不同煤柱宽度条件下护巷煤柱的塑性区与应力分布，优化煤柱的合理宽度。如图2所示，三维数值计算模型长270m，宽250m，高50m，共44225单元块，48360个节点，201回风巷与202进风巷采用双巷掘进，煤柱宽度分别为 25m，20m，15m，10m，8m，模拟201工作面开采 (一次采动影响)和202工作面开采 (二次采动影响)的煤柱塑性区范围和支承压力分布规律。

3.2 护巷煤柱的塑性区宽度

护巷煤柱两侧的塑性区宽度是计算煤柱合理宽度的主要依据。在01工作面开采后，02工作面开采时煤壁剖面上的塑性区分布如图3所示。可见，当煤柱宽度为25m，20m，15m时，煤柱塑性区宽度在01工作面一侧为2m，在02工作面一侧为1m，煤柱中部的弹性核宽度较大;当煤柱宽度为10m，8m时，煤柱塑性区宽度在01工作面一侧发展到3m，在02工作面一侧发展到2m，煤柱中部的弹性核宽度已经比较小。在煤柱宽度较小时，由于两侧采动应力叠加，煤柱塑性区范围有所扩大。

图2 数值计算模型及剖面

图3 煤柱两侧的塑性区

煤柱20m时，实测得到巷道掘进影响后煤柱帮的松动圈为0.9～1.1m，数值模拟得到采动影响后的塑性区宽度为1.0～1.5m，说明所进行的数值模拟能够较好地反映煤柱的力学状态。

3.3 护巷煤柱的应力分布

护巷煤柱的应力分布特征可以反映煤柱的稳定性。在01工作面开采后，02工作面开采时煤壁剖面上的煤柱区的应力分布如图4，图5所示。

图4 煤柱应力分布

图5 煤柱支承压力分布

可见，当煤柱宽度为25m，20m，15m时，由于煤柱宽度较大，煤柱上的高应力集中主要在靠近01工作面的一侧，02工作面一侧 (被保护巷道一侧)的应力集中程度并不太高，没有形成两侧采动应力叠加现象。当煤柱宽度减小到10m，8m时，两侧采动应力叠加，整个煤柱上的应力集中程度都比较高，煤柱塑性区范围扩大，对被保护巷道的稳定性有一定影响。煤柱支承压力峰值分别为11.32 MPa，11.4MPa，11.63MPa，11.8MPa，11.9MPa，应力集中系数分别为 3.77，3.8，3.88，3.93，3.97。

根据不同煤柱宽度条件下塑性区和应力分布变化规律，分析得出昌汉沟煤矿浅埋中厚煤层护巷煤柱的合理宽度为10～15m。

4 护巷煤柱合理宽度的确定

护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为回采巷道。回采空间和回采巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区，塑性区宽度分别为x0，x1，见图6。

图6 煤柱的弹塑性变形区及应力分布

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。护巷煤柱保持稳定状态的宽度B为:

式中，x0为护巷煤柱在采空区一侧的塑性区宽度，m;M为采高，2M为弹性核宽度，m;x1为护巷煤柱在巷道一侧的塑性区宽度，m。

由于护巷煤柱的巷道一侧也将形成采空区，两侧采空后塑性区宽度基本接近，x0=x1，这样计算煤柱宽度有一定的安全系数。运用岩体的极限平衡理论［3－5］，塑性区宽度x0和x1为:

根据昌汉沟矿煤层条件，应力集中系数K取4.0;支架对煤帮的阻力P取为0;M为采高，由于煤层采高与巷道高度不同，考虑开采的综合影响，取采高与巷道高度的均值;H为采深，m;C为煤体黏聚力，通常为煤体试样黏聚力的0.45～0.75;φ为煤体内摩擦角;f为煤层与顶底板接触面的摩擦系数，取0.25;ξ为三轴应力系数，ξ=(1+ sinφ)/(1－sinφ)。

根据昌汉沟矿煤层物理力学性质测定，计算煤柱合理宽度见表3。可见，在开采深度H为80m，120m，160m的条件下，护巷煤柱的合理宽度分别为12m，13m，14m。浅埋中厚煤层煤柱支承压力低，护巷煤柱宽度可以相应减小。

表3 中厚煤层护巷煤柱合理宽度

5 结论

(1)浅埋中厚煤层矿山压力较小，支承压力较低，巷道矿压显现较轻，双巷掘进和维护方式的20m护巷煤柱应当进一步减小。

(2)根据数值模拟，浅埋中厚煤层条件下，煤柱宽度25m，20m，15m时，两侧采动应力的峰值区还未明显叠加，煤柱塑性区宽度并不大，煤柱的弹性核宽度较大;当煤柱宽度为10m，8m时，由于两侧采动应力的峰值区相互叠加，煤柱塑性区范围有所扩大，弹性核宽度已经较小，煤柱合理宽度为10～15m范围。

(3)根据理论计算分析，昌汉沟四煤组浅埋中厚煤层条件下，开采深度80m，120m，160m时，煤柱合理宽度分别为12m，13m，14m。

［1］张科学.深部煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定［J］.煤炭学报，2011，36(S1).

［2］黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(8).

［3］侯朝炯，马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨［J］.煤炭学报，1989，14(4).

［4］奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用［J］.采矿与安全工程学报，2008，25(4).

［5］柏建彪.沿空掘巷围岩控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006.

［责任编辑:于海湧］

Research on Rational Width of Coal-pillar in Shallow-buried Medium-thick Coal-seam

JIANG Li-shuai，LIU Hong-tao，LIAN Xiao-yong，ZHANG wei-wei

(Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing 100083)

Aiming at the background of shallow coal seams with medium thickness，this paper studied the stress characteristics of coal pillarsbetween panels applying field tests，numerical modeling and theoretical analyses，and determined the rational width of coal pillars.The results of this study showed:the stress in shallow coal seams is comparatively small，and the stability of roadways is less affected;when the width of the coal pillar is 15～25，the dynamic stress fields caused by mining from the pillar’s both sides do not superpose，and the width of elastic band in the pillars is big;when the width of the coal pillar is less than 10m，the dynamic stress fields superpose significantly，and the width of elastic band in the pillars is small;when the mining depth is 80m，120m，160m，the rational width of the coal pillar is 12m，13m，14m respectively.

shallow buried;coal pillars in the panel;width of the coal pillar;stress distribution

TD822.3

A

1006-6225(2012)04-0105-04

2012－04－16

国家自然科学基金资助项目:浅埋深薄基岩采动岩体破断及渗流基础 (51134018)

蒋力帅 (1989－)，男，江苏南通人，中国矿业大学 (北京)采矿工程专业研究生。