沿空双巷窄煤柱合理宽度研究

陈 凯

(西山煤电西曲矿通风五队，山西 古交 030200)

引 言

为解决工作面瓦斯超限问题，某矿拟采用沿空双巷布置，即在孤岛面端头布置两条巷道。采空区一侧巷道作为专用回风巷。此方法的优势在于：一方面改善了工作面通风情况，另一方面也提高了煤炭的回收率，避免了资源浪费。但是这种布置方式也带来了沿空煤柱和巷间煤柱确定合理留设宽度的问题，煤柱过窄，会导致巷道围岩变形过大，管理控制困难，容易引发冒顶等安全事故；煤柱过宽，又会造成不必要的资源浪费。因此，确定合理的煤柱宽度，对矿井的安全、高效开采十分必要。本文以某矿综放工作面为研究背景，利用FLAC3D数值模拟软件，确定沿空双巷窄煤柱的合理宽度，为相似条件下煤柱尺寸的确定提供了一定的借鉴价值。

1 工程概况

该矿4305工作面主采3#煤层，埋深约440 m，煤层厚度为4.85 m～6.73 m，平均6 m，采用综合机械化放顶煤的方法开采，采3 m，放3 m，采放比为1∶1；工作面走向长约1 600 m，倾向长约220 m，煤层倾角为3°，属于近水平煤层，煤层直接顶为2.6 m厚的砂质泥岩，基本顶为5.4 m厚的细砂岩，直接底为1.6 m厚的泥岩，基本底为6.8 m厚的石灰岩。其主要岩层物理力学参数如表1所示。

2 建立模型

根据4305工作面综合柱状图和表1所示参数，利用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模型。模型长300 m，宽200 m，高80 m，模拟时，首先将邻近工作面采空，再对沿空巷道进行模拟研究，巷道长4.0 m，高3.0 m，模型如图1所示。

表1 主要岩层物理力学参数

图1 FLAC3D数值模型

3 沿空煤柱宽度的确定

首先，要确定沿空煤柱(邻近采空区一侧)的宽度，保持其他条件不变，分别模拟煤柱宽度为4 m、8 m、12 m和16 m时，沿空煤柱的破坏情况[1]。

第162页图2为不同沿空煤柱宽度下，巷道围岩的塑性破坏情况。由图2可以看出，当煤柱宽度为4 m时，巷道围岩的塑性破坏区与采空区形成的塑性破坏区贯通，煤柱内全部受到塑性破坏，不利于巷道的管理控制；当煤柱宽度为8 m时，煤柱内塑性区并未贯通，出现2 m左右的弹性核区，巷道稳定性得到明显改善；当煤柱宽度增加至12 m～16 m时，煤柱内的弹性核区增至5 m～8 m，但实体煤一侧的塑性区范围，略有增加[2]。

图2 不同沿空煤柱宽度时的塑性破坏区

图3为不同沿空煤柱宽度下的巷道顶板下沉量及两帮移近量的变化曲线。由图3可以看出，巷道顶板与两帮的位移变化趋势基本相同，随着煤柱宽度的增加，巷道围岩的位移逐渐减小。当煤柱宽度由4 m增加至8 m时，围岩位移明显减小，当煤柱宽度由8 m增加至12 m时，减小幅度有所降低，当煤柱宽度由12 m增加至16 m时，巷道围岩位移基本持平，没有发生明显变化。

图3 不同沿空煤柱宽度下围岩位移曲线

综合上述分析，当沿空煤柱宽度为8 m时，巷道围岩破坏和位移情况较好，既能保证巷道的安全稳定，又能最大限度的回采煤炭资源，避免浪费。

4 巷间煤柱宽度的确定

在确定沿空煤柱合理宽度后，接下来就要确定巷间煤柱的宽度。在模拟中，要保持沿空煤柱为8 m不变，分别模拟巷间煤柱宽度为4 m、6 m、8 m和10 m时巷道围岩的破坏和变形情况[3]。

图4为不同巷间煤柱宽度时巷道围岩塑性破坏的情况。由图4可以看出，在巷间煤柱宽度为4 m时，煤柱内塑性区连成一片，煤柱变形较大，不利于巷道的支护；当煤柱宽度增加至6 m时，煤柱内塑性区未贯通，出现约1 m左右的弹性核区；当煤柱宽度增加至8 m和10 m时，弹性核区宽度进一步增加，分别为3 m和5 m，巷道稳定性得到明显改善。随煤柱宽度的增加，巷道底板的变形情况基本不变[4]。

图4 不同巷间煤柱宽度时的塑性破坏区

图5为不同巷间煤柱宽度下巷道顶板下沉量和两帮移近量的变化曲线。由图5可以看出，其变化趋势基本相同，都随煤柱宽度的增加而逐渐减小。

图5 不同巷间煤柱宽度下围岩位移曲线

其中，当煤柱宽度由4 m增加至6 m时，位移变化速率较快，煤柱由6 m增加至8 m时，变化幅度就明显减小，当煤柱宽度由8 m增加至10 m时，变化幅度进一步缩小。由此推测，随煤柱宽度增加，围岩位移变化幅度逐渐缩小，最终保持稳定，因此，没有必要进一步增加煤柱的宽度[5]。

综合前面的分析，巷间煤柱为6 m时，巷道围岩破坏变形较小，可以满足矿井正常生产的需要。

5 结论

根据某矿综放工作面的实际情况，利用FLAC3D数值模拟软件，得出以下结论：

1) 随煤柱宽度的增加，巷道顶板和两帮的变形破坏逐渐减小，其变化的幅度也逐渐变缓；

2) 沿空煤柱为8 m，巷间煤柱为6 m时，基本可以保持巷道围岩的稳定，保障工作面的正常生产。

在矿井实际生产中，留设煤柱宽度，通过合理的支护设计，巷道围岩变形很小，未发生安全事故，在保证安全生产的基础上，最大限度的回采了煤炭资源。

参考文献：

[1] 司鑫炎,王文庆,邵文岗.沿空双巷合理煤柱宽度的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(2):215-219.

[2] 许国安,靖洪文,丁书学,等.沿空双巷窄煤柱应力与位移演化规律研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(2):160-165.

[3] 余学义,王琦,赵兵朝,等.大采高双巷布置工作面巷间煤柱合理宽度研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(S1):3328-3336.

[4] 侯圣权,靖洪文,杨大林.动压沿空双巷围岩破坏演化规律的试验研究[J].岩土工程学报,2011,33(2):265-268.

[5] 李永恩,镐振,李波,等.双巷布置留巷围岩塑性区演化规律及补强支护技术[J].煤炭科学技术,2017,45(6):118-123.