大断面综放工作面巷道煤柱宽度探讨

武慧龙

（山西西山煤电集团公司 西曲矿，山西 030200）

该矿普遍留设30 m左右宽煤柱维护巷道，造成资源浪费外，还会产生安全隐患等问题。合理的煤柱宽度对于提高煤炭资源回收率、保证巷道稳定以及实现综合开采高产高效意义重大。

1 22108工作面基本情况

东曲矿22108工作面煤层较稳定，煤层倾角平均15.3°，厚度6.3～13.5 m，平均厚度9.7 m。工作面长2344 m，倾向长238 m，采用综放采煤工艺，采煤高度2.4 m，放顶煤高度9.4 m。

2 煤柱宽度理论计算

巷道煤柱上所承载的应力是上方煤岩层自重所产生的，计算方法如下：

（1）煤柱上承载的应力：

式中：B为宽度；D为开采宽度；H为巷道深度；δ为倾斜角，γ为平均体积力。

（2）煤柱单位面积的平均应力：

式中：B为煤柱宽度；P为煤柱上覆岩层的总载荷。

（3）煤柱宽度必须保证煤柱的极限载荷σ不超过极限强度R，其中R为：

式中：B为煤柱宽度；h为煤柱高度。

开采区和巷道煤柱在边缘上的应力相对于原始煤层上的应力可以是呈倍数的集中，煤柱边缘抗压强度低，所以煤柱边缘就会收到不同程度的损伤。开采空间和煤柱巷道之间有塑性区，此区可以变形，当煤柱两侧的这个塑性区互相贯通，煤柱就不再稳定，就会出现崩塌等安全问题[1]。

针对东曲矿22108工作面采用上述公式的载荷估算法，代入参数值D=200 m，H=400 m，M=6.25 m，h=3.5 m，煤的单轴抗压强度为11 MPa，采空区上覆岩层垮落角为30°，上覆岩层平均体积力为24 kN/m3。代入理论方程式，得B=17.9 m。又根据极限平衡理论，求得L0为5.3 m，B0为15.91 m，B为19.6 m。 综合分析，巷道煤柱合理宽度取值20 m。

3 煤柱宽度数值模拟分析

通过使用Itasca公司开发的FLAC3D数值模拟软件和应用莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则分析不同煤柱宽度对于岩体变形、判断岩体是否遭到破坏的影响并建立数值模型[2]。建模所取岩体力学参数见表1。

表1 煤矿力学参数

图1 22108工作面下的数学计算力学模型

图2 不同煤柱宽度下形变量模拟

模拟实验结果证明，当煤柱宽度较小时，约在10 m左右，煤柱两侧与巷道之间的塑性形变区相互贯通，只有塑性区，而没有弹性区，整个煤柱都将处于不稳定状态，但煤柱宽度增大的话，煤柱塑性区就开始缩小。煤柱宽度逐渐增大，增至20 m左右时，煤柱两侧与巷道之间约为8.9 m，巷道侧宽度为2.83 m。逐渐开始出现弹性区，煤柱可以保持稳定；煤柱宽度如果持续增加到30 m时，塑性区将不再变化，弹性区逐渐增大[3]。也就是当达到煤柱宽度的一定值后，煤柱会更加稳定，有利于安全生产和巷道支护维护，但会损失煤炭资源。

由图3可以看出，煤柱宽度与变形量的总体上趋势是，当煤柱宽度逐渐增大时，巷道围岩变形量即位移是呈逐渐减小的趋势。煤柱宽度在10 m增至20 m时，变形量的减小是巨大的，相比较其他煤柱宽度的减小趋势。而煤柱宽度大于20 m时，变形量的减小是愈加缓慢的。煤柱作用于两帮的变形量，工作面附近巷道两帮水平位移较大，随着距离增大，变形量减少。煤柱宽度从3 m增至7 m的整个过程中，巷道两帮的变形量随着煤柱宽度的增加而减小；煤柱尺寸从10 m增到20 m的整个过程中，巷道边缘形变量逐渐减小。这说明20 m是煤柱宽度的一个临界点，在20 m范围内增大煤柱宽度对巷道变形影响较小，而煤柱宽度小于20 m时巷道变形量随着煤柱宽度增加急剧减小[4]。

图3 不同煤柱宽度下的巷道围岩变形量

当煤柱宽度不断增加时，垂直作用在煤柱上的应力逐渐增大，说明开采部分在煤柱宽度增大的条件下，承载能力也在逐步增强。煤柱边缘的载荷减小，这部分重量减到煤柱上去了。可以看到，如果煤柱宽度达到特定值时，煤柱以及煤柱边缘所承受的垂直应力大小基本相等，这时，煤柱以及煤柱边缘所承受的应力都比较大。随着煤柱宽度继续增大，煤柱起了主要承力作用。当煤柱宽度较小时，煤柱承受垂直应力实际不大，垂直应力主要集中在煤柱边缘，所以会出现位移形变的应该是出现在煤柱的边缘，此时的煤柱的位移在应力下是最大的，大于其它煤柱宽度下的位移，所以造成的破坏是巨大的，不能保证巷道的安全，煤柱全然不能起支撑的作用。如果煤柱宽度大于此定值时，主要起支撑作用的是煤柱，所以煤柱不会完全被压垮，此时若能及时采取适当措施，维护煤柱的稳定，煤柱仍能保持一定的稳定状态。所以如果煤柱宽度是中等宽度的话，煤柱就会受到很大的压力，对稳定性而言是很不利的；如果煤柱宽度较大，煤柱足以支撑使其保持稳定，但造成煤炭损失就会比较大。综合安全因素和经济因素考虑，建议煤柱宽度在20 m左右。

4 结语

通过东曲矿22108工作面的实际测量和应用FLAC3D模拟软件对矿井土质、岩石、巷道顶板和煤帮的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，以及对综放工作面巷道的合理布置进行研究，认为合理煤柱宽度为20 m，能够有效保障煤柱巷道围岩稳定。东曲矿22108工作面煤柱宽度为20 m，实际观测情况良好，对类似大断面巷道的支护技术应用具有的理论和指导意义。

〔1〕贾光胜，康立军.综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究[J].煤炭学报，2002（1）.

〔2〕谢广祥，杨 科，常聚才.煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响分析[J].地下空间与工程学报，2009（5）.

〔3〕戴 晋.软厚煤层大断面巷道保护煤柱尺寸留设研究[J].煤矿现代化，2014（5）.

〔4〕赵则龙，张 磊.浅埋大采高工作面区段煤柱下合理留设宽度模拟研究[J].华北科技学院学报，2014（11）.

〔5〕常聚才，谢广祥，杨科.综放沿空巷道小煤柱合理宽度确定[J].西安科技大学学报，2008（2）.