小煤柱沿空掘巷合理宽度研究

王豪

合理的沿空掘巷窄煤柱宽度影响巷道整体稳定性，对控制巷道支护成本，提高煤炭采出率具有重要意义。本文以山西焦煤汾西矿业宜兴煤业1202运输巷道为工程背景对小煤柱沿空掘巷合理宽度进行研究。

1 工程概况

1202工作面运输巷道布置在3下煤中，为全煤巷道，其地面标高+35～32.6 m，井下标高-335 m～350 m。该煤层赋存稳定，均厚3.5 m，倾角为18°左右，相对密度1.26～1.36 t/m3。1202工作面运输巷道沿煤层走向掘进，其顶板岩性主要为粉砂岩，碎屑结构，层状构造，底板岩性主要为粉砂岩，泥质结构，层状构造。3下煤顶底板围岩特性如表1所示。

表1 3下煤顶底板围岩特性

2 沿空掘巷围岩稳定性分析

2.1 沿空掘巷覆岩破断特征分析

沿空掘进巷道上区段工作面开采后上覆岩体将会垮落，并在巷道上方形成图1中的稳定性铰接结构模型[1-3]，利于巷道围岩的控制。

图1 沿空掘进巷道覆岩破断特征

2.2 上区段工作面侧向支承力分布规律分析

沿空掘进巷道开掘前，上区段工作面侧向支承压力分布规律见图2，分为应力降低区C、应力增高区B、原岩应力区A。沿空掘巷一般选择应力降低区，有利于降低巷道的支护强度和成本，同时提高了煤炭的采出率。

图2 沿空掘巷上区段工作面侧向支承力分布特征

3 合理的窄煤柱宽度设计

3.1 理论计算

沿空掘巷窄煤柱最小护巷宽度[4-6]见图3。

图3 窄煤柱宽度

由弹塑性极限平衡理论可知，沿空掘巷窄煤柱宽度B最小值为：

式中：x1为采空区侧向支承压力在煤柱浅部造成的屈服区宽度，m；x2为锚杆锚入煤柱的深度，x2=R1-R0，m；x3为 安 全 系 数 ，x3= （0.15 ～0.35）（x1+x2），m。

式中：M为上区段平巷高度，3.1 m；β为侧压系数，β=μ/(1-u)，μ为泊松比，取0.34；K为应力集中系数，取2.4；γ0为上覆岩层平均体积力，取0.025 MN/m3；H为巷道埋深，取380 m；α为煤层倾角，取18°；C0为煤体黏结力，取2.0 MPa；Φ0为煤体内摩擦角，取为30.0°；Px为上工作面平巷支架的支护阻力，取0；Pi为支护阻力，取0；R1为塑性区半径，m。

式中：R0为巷道等效半径，取2.5 m。

通过计算得知x1=1.42 m；x2=3.028 m；B=x1+x2+（0.15～0.35）（x1+x2）=（1.15～1.35）（x1+x2）=（1.15～1.35）（1.42+3.028）=5.12～6.01 m。

3.2 数值模拟

通过FLAC5.0软件建立了80.0 m×50.0 m力学模型，分别模拟窄煤柱宽度分别为4 m、5 m、6 m、7 m时巷道围岩应力特征及变形量。开挖后巷道围岩垂直应力分布见图4，形变特征见图5。

图4 不同煤柱宽度下围岩垂直应力分布特征

图5 不同煤柱留设宽度对巷道形变影响特征

由图4、图5可知：当煤柱宽度在4～6 m时，随着煤柱宽度的增加，窄煤柱上最大垂直应力由低于原岩应力（16 MPa）的14 MPa增至17.5 MPa，表明窄煤柱承载能力增强，巷道的顶底板、两帮的形变量也呈现减小的趋势。当煤柱宽度在6～7 m时，虽窄煤柱内弹性区有所扩大，但由于巷道靠近上区段侧向支承压力峰值，致使巷道的围岩变形量呈增加趋势。

综合考虑沿空掘进巷道受力状况、形变量和煤炭采出率，确定窄煤柱宽度6 m最宜。

4 结语

通过对1202工作面运输巷道工程地质条件、围岩力学性能、围岩稳定性分析，结合理论计算和数值模拟，确定沿空掘巷最宜窄煤柱宽度为6 m。

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