小尺寸煤柱护巷技术工程实践

杨宇晓，谢丽举

(1.山西潞安集团 慈林山煤业有限公司，山西 长治 046605；2.江苏励盛建设有限公司，江苏 徐州 221600)

传统留设宽煤柱的护巷方法，不利于回采巷道的维护，有时会对煤柱区域造成应力集中，加大煤柱下方回采维护巷道的难度，甚至导致冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害事故发生。工作面回采时，沿着背离采空区的方向，实体煤应力分布依次为应力降低区、应力增高区以及原岩应力区。因此，在研究留设小煤柱时，应将下一采区的回采巷道布置在相应的应力降低区，从而改善回采巷道的受力状况，使煤柱内的应力分布趋于稳定合理化，实现沿空掘巷留设小煤柱护巷的目的。这将会提高矿井煤炭回采率及采场稳定性，降低巷道返修率和不必要的维修费用，对矿井的生产建设和经济效益都具有重要意义。本文主要以长治A煤业3#煤大采高工作面的护巷煤柱为背景，计算了理论上可行小煤柱的尺寸，模拟分析了小煤柱的应力及变形情况，并通过工程实践验证了窄煤柱的可行性[1]。

1 大采高工作面护巷煤柱宽度计算理论[2-3]

采用小煤柱护巷把巷道布置在采空区边缘低压区内，以达到减轻巷道受压的目的，同时提高资源回收率。但从回采巷道的支护考虑，煤柱尺寸也不宜过小，煤柱宽度过小，在工作面回采过程中将导致煤柱内破碎区占的比重增加，加剧煤柱的破坏，这样即使进行锚杆支护，也是锚固在破碎区，减弱了锚杆的支护作用，无法形成支护、围岩共同承载的结构。通过煤柱载荷计算模型的建立和简化(见图1)，在考虑煤柱所受载荷小于其极限强度的情况下，确定煤柱尺寸。

图1 计算煤柱载荷示意图

式中：

B—煤柱宽度，m；

D—采空区宽度，m；

H—巷道埋深，m；

δ—采空区上覆岩层垮落角，(°)；

γ—上覆岩层平均体积力，kN/m3。

煤柱的极限强度计算采用如下公式：

聊城山陕会馆地处古运河的西岸，是清代聊城商业繁荣的缩影和见证。整个建筑布局紧凑，错落有致，连接得体，装饰华丽，堪称中国古代建筑的杰作。

式中：

R—煤柱强度，MPa；

Rc—煤柱原位临界立方体单轴抗压强度，MPa；

B—煤柱宽度，m；

h—煤柱高度，m。

则，煤柱的宽度计算公式为：

2 工程实践

长治A煤业3#煤大采高工作面位于井田的东部，向东为井田边界，向西为采空区，北侧是为3#采区服务的3条巷道，南部相邻雄山矿采空区，地面无建筑物和其它设施。该工作面所采煤层为3#煤，工作面煤层厚度为4.65～5.2 m，平均厚度为5.0 m，煤层倾角2°～7°。煤层含1层夹矸，夹矸厚度0.1 m。本工作面采用走向长壁一次采全高自然垮落后退式综合机械化采煤方法(大采高综采技术)，一次采5 m厚煤层。

根据A煤业3#煤大采高工作面的实际情况，大采高工作面采煤高度为5.0 m，煤柱高度h取3.5 m，煤体的单轴抗压临界强度取10 MPa，采空区上覆岩层垮落角取45°，上覆岩层平均容重取0.025 MN/m3，巷道埋深200 m，采空区宽度按巷道跨度计算取5 m。以计算理论为基础，代入上述公式，算出煤柱宽度为5.3 m。也就是说，当煤柱宽度为5.3 m时，煤柱的强度与其极限强度相等，考虑富裕系数后，煤柱宽度取5.8 m。

3 大采高小煤柱稳定性巷模型分析[4-5]

3.1 工程模型建立

本次建模304527工作面以回采巷道底板中点为原点，以倾向为X轴，沿工作面倾向取200 m；以走向为Y轴，沿回采巷道走向取300 m;竖向为Z轴,回采巷道顶板向上取26 m，底板向下取了15.1 m。建模模型图见图2，以该大采高工作面回风顺槽底板中心线为Y轴线，代表工作面走向方向；左右方向为X方向，代表工作面倾向方向；上下分别为大采高工作面顶底板方向。此模型边界均为固定边界，在X、Y方向上的初始位移均为0，3045工作面距地面200 m左右，在Z方向，模型的最上端加载计算初始应力场，荷载大小为γH，即上覆岩层容重所施加的竖向载荷约为5 MPa，由于相邻采空区顶板已做自行垮落处理，所以，采空区及其上方赋予弹性值。

图2 3045工作面数值模拟模型图

3.2 3045工作面回采期间小煤柱模拟分析

本方案模拟3045回采工作面沿开切眼向前推30 m时，数值模拟计算煤柱内和工作面前方实体煤的应力和位移。回采期间各尺寸煤柱下，垂直应力分布见图3～6，水平与垂直位移见图7～14。

图3 回采时4 m煤柱垂直应力分布图

图4 回采时5 m煤柱垂直应力分布图

图5 回采时6 m煤柱垂直应力分布图

图6 回采时7 m煤柱垂直应力分布图

图7 回采时4 m煤柱垂直位移分布图

图8 回采时5 m煤柱垂直位移分布图

图9 回采时6 m煤柱垂直位移分布图

图10 回采时7 m煤柱垂直位移分布图

图11 回采时4 m煤柱水平位移分布图

图12 回采时5 m煤柱水平位移分布图

图13 回采时6 m煤柱水平位移分布图

图14 回采时7 m煤柱水平位移分布图

分析工作面向前推进30 m时得到的不同垂直应力等线图，可以看出：由于工作面向前推进30 m，在二次采动影响下，煤柱内和回风顺槽顶底板的垂直应力都有所增大，比沿空掘巷后所显现的应力分布要大得多。留设4 m煤柱，当工作面回采30 m时，煤柱内的处置应力增大不多，支承应力峰值为18 MPa左右，普遍在10 MPa左右，然而工作面前方实体煤中的处置应力峰值增长到32 MPa,且大于30 MPa的区域相当大，回采巷道实体煤侧处置应力达到22 MPa；留设5 m煤柱时,煤柱内垂直应力峰值与沿空掘巷时相比略有增加，最大为16 MPa，但垂直应力增大区较小，煤柱内应力普遍小于8 MPa，接近原岩应力；留设6 m煤柱时，煤柱内垂直应力峰值增长到18 MPa，煤柱应力核心区较小，接近原岩应力的区域较大，工作面前方实体煤靠近回采巷侧应力最大值为34 MPa，核心区距巷道内帮有一定距离；留设7 m煤柱时，煤柱内应力核心区范围有所增大，最大垂直应力为24 MPa左右，工作面前方实体煤靠近回采巷道侧垂直力达到20 MPa。

回采时，留设4 m煤柱最大垂直位移增加到250 mm，最大水平位移为400 mm，顶板下沉量达到350 mm，巷道外帮即煤柱侧的移近量达到350～400 mm，有部分达到500 mm；留设5 m煤柱时，回采巷道顶板下沉量略有增加，达到200 mm左右，最大垂直位移为350 mm，位于煤柱上方岩层，最大水平位移增加到350 mm，位于煤柱下方，煤柱向回采巷道的移近量为180 mm左右；留设6 m煤柱时，煤柱内垂直位移峰值与5 m煤柱相当，最大垂直位移为350 mm，位于巷道顶板，煤柱内垂直位移与掘巷后无明显变化，回采巷道煤柱侧的水平位移最大值是350 mm，变形较大区域较小，大部分区域水平位移在150 mm左右；留设7 m煤柱时，回采巷道顶板下沉量与掘巷后无明显变化，最大垂直位移为300 mm，位于巷道顶板，回采巷道煤柱侧水平位移比5 m、6 m煤柱时要大，达到450 mm，煤柱变形较大，煤柱向回采巷道移近量进一步增大。

从回采时各尺寸煤柱下的垂直应力、垂直位移和水平位移等值线图分析来看，回采时，4 m煤柱受二次采动影响较突出，5 m、6 m无较大明显变化，7 m煤柱垂直应力有较大增加，水平位移较大，尤其是外帮向回采巷道移近量增加明显。

综上所述，通过对各尺寸煤柱在沿空掘巷后和工作面向前回采推进时的数值模拟分析可以看出，在这两种环境下，煤柱尺寸留设在5 m、6 m时，相对采场稳定性较有利。考虑较小煤柱尺寸设计，兼顾巷道和煤柱稳定性，取5 m煤柱合理性较大。

数值模拟结果表明，留设5～6 m煤柱既能满足维持采场围岩稳定性，也符合经济技术方面的要求，综合考虑前述理论计算部分，沿空掘巷小煤柱留设宽度为5.8 m。

3.3 矿压观测[6]

针对3045大采高工作面留设5.8 m煤柱，制定了合理的矿压观测方案，分别对沿空掘巷后和回采时进行了煤柱内应力分布观测，对煤柱内支承力的分布进行了分析。3045回风顺槽掘进完毕稳定后，顶板下沉量达到20 mm，底鼓量为5 mm左右，工作面沿开切眼向前继续推进，顶底板相对位移为25～45 mm，两帮相对位移为45～70 mm(见图15，图16)，现场未见明显底鼓现象，巷道变形量较小，巷道维护效果较好。沿空掘巷后，对3045顺槽采取锚杆+金属网+钢筋梁+锚索补强联合支护[7-8]，对煤柱进行喷浆注浆支护，提高了煤柱的强度，有效地控制了顶底板和两帮相对位移量。从观测结果来看，留设5.8 m煤柱时，煤柱内支承力稳定分布，煤柱整体保持较稳定状态，满足了对顶板的支撑，起到了护巷作用，有利于巷道维护和煤炭资源的高效回收。

4 结 语

1)长治A煤业大采高沿空掘巷下，小煤柱理论计算宽度在5.8 m左右；数值模拟得到的合理煤柱尺寸范围是5～6 m；表面喷浆内部注浆加固后的煤柱内深部位移较小，煤柱状态相对稳定无较大变形。

图15 回风顺槽表面位移曲线图

2)根据煤柱合理留设的原则，运用理论计算、数值模拟和矿压实测的煤柱设计方法，特别是数值模拟的方法分析了煤柱不同宽度的条件下巷道围岩的应力分布规律，并结合工作面的地质条件，确定了A煤业大采高小煤柱留设宽度为5.8 m。

3)A煤业3#煤层大采高工作面回风顺槽小煤柱留巷，在使用过程中巷道不需要返修，完全满足生产要求。从巷道开掘到掘进稳定，顶板总离层量约10 mm，表明针对该回风顺槽设计的锚杆支护方案的实施较好地控制了回风顺槽围岩变形。

图16 回风顺槽两帮移近量图

4)A煤业3#煤大采高工作面采用沿空掘巷留设小煤柱工业性试验的成功，为矿井实现高产高效，提高煤炭采出率，改善巷道维护状况，降低支护成本，特别是对高应力矿井，提供了可靠的理论依据和技术途径。

参 考 文 献

[1]刘听成.沿空掘巷留小煤柱浅析[J].煤炭科学技术,1981(02):10-12+62.

[2] 吴立新，王金庄，郭增长.煤柱设计与监测基础[M].徐州:中国矿业大学出版社，2000:1-3.

[3] 王旭春,黄福昌,张怀新,等.AH威尔逊煤柱设计公式探讨及改进[J].煤炭学报,2002(06):604-608.

[4] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007:21-26.

[5] 柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2004(20):3475-3479.

[6] 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003:11．

[7] 靖洪文，董方庭.回采巷道锚杆支护问题探讨和实践[J].矿山压力与顶板管理，1995(3):4.

[8] 刘听成,吴绍倩.关于应用沿空巷道的几点浅见[J].煤炭科学技术,1977(09):25-30.