同忻矿综放面沿空掘巷小煤柱合理宽度研究

黄庆国

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

区段煤柱是工作面之间留设的保护煤柱，其作用主要是隔离采空区[1]和保护回采巷道，煤柱宽度的大小定位了相邻采面沿空掘巷的位置，煤柱宽度变化差异，呈现在沿空巷道的矿压显现不同，决定了巷道支护的难易[2]；同时，也影响资源回收率。通常，错开采动支承压力峰值影响区域是选择沿空巷道位置即确定煤柱宽度的原则[3-4]。同忻矿现主要开采石炭系3～5号煤层，该煤层为特厚煤层，结构复杂、厚度大、有火成岩侵入，选择大采高综合机械化放顶煤一次采全高采煤方法。回采过程中留设的区段煤柱宽度为38 m，用以隔离相邻采空区的水、火、瓦斯等致灾威胁，保护回采巷道的使用安全。大煤柱护巷带来两个问题，煤炭损失大，巷道维护状况差。综放工作面推进时，沿空的区段平巷受采空区形成的侧向支承压力及本采面移动超前支承压力影响，全煤巷道破坏变形严重以至于超过了40%的巷道断面收缩，锚杆、锚索、钢带、金属网联合支护体系遭受强力损坏，致使采面正规循环率显著降低，严重威胁矿井的安全生产和矿井产量的稳定。因此，开展8305综放面沿空掘巷护巷小煤柱宽度研究，为同煤集团类似开采条件下的沿空掘巷小煤柱宽度确定提供科学依据和工程参考。

1 工程概况

同忻矿8305综放工作面位于一水平西三盘区，开采3～5号煤层，北部为8307工作面采空区，南部为实体煤，西部为银塘沟村保护煤柱，东部为西三盘区辅助运输大巷，所对应的的地面标高为1306～1395之间，5305巷巷口往里705 m范围内上部对应为同家梁矿侏罗系14号煤层8904、8902-1、8902-2、8902-3工作面采空区。705 m至切眼对应上部为白洞矿侏罗系14号煤层实煤区。侏罗系14-2#煤层与石炭系3～5#煤层层间距为184～216 m。8307工作面采空区范围内与侏罗系上覆14号煤层间距为175～220 m，2307运输巷所在的范围内，层间距为187～201 m之间。8305工作面和8307采空区位置，见图1。侏罗系采空区于1993～1994年间形成，距今已经23年，采空区已经稳定。8307工作面回采期间，侏罗系采空区和上覆岩层有一定损伤，即强度降低，节理裂隙发育。后续计算8307采空区侧向支承压力分布应考虑侏罗系采空区所附加的覆岩强度和节理裂隙的影响。

图1 采空区和8305面位置关系

影响沿空掘巷煤柱尺寸的主要控制因素是8307工作面采空区顶底板岩性。8307工作面煤层顶底板情况，见表1。依据2307巷实际揭露情况，工作面地质构造简单，煤层为缓单斜构造，倾角1～2°，未见大的断层、陷落柱等，本工作面揭露了一条倾角68°、0.3 m落差的正断层。

表1 8307工作面煤层顶底板情况

2 采空区侧向煤体内极限平衡区宽度分析

依据弹塑性力学理论，结合同忻煤矿生产实际条件，分析计算本矿8307综采放顶煤工作面回采后、顶板活动稳定时形成的侧向支承压力分布范围，尤其是侧向支承压力应力降低区的范围[5]，为8305工作面沿空掘巷的巷道布置、小煤柱护巷提供理论依据。

为准确可靠地预测8307工作面侧向支承压力应力降低区的范围，对8307综采放顶煤工作面围岩做以下几个方面的假设：

（1）所有岩体为各向同性并且连续的弹塑性体。

（2）煤体的破坏为剪切破坏，且满足Mohr-cou⁃lomb准则。

（3）简化研究的空间模型，研究对象为沿巷道倾斜方向的垂直剖面。

（4）在煤体极限强度位置x=x1处，其应力边界条件为：

式中：β为煤体极限强度所在面的测压系数，β=μ/(1 -μ )；μ 为泊松比；α 为煤层倾角，(°)；σx为x方向应力，MPa；σy为 y方向应力，MPa；σyi为煤柱的极限强度（即支承压力峰值），MPa。

力学模型，见图2。

图2 煤柱塑性区宽度计算力学模型

图2中，M为所采煤层的采出厚度，σx为水平方向的应力，σy为垂直方向应力，σyi为垂直应力最大值，τxy为煤层与岩层间剪应力，x1为极限平衡区宽度，α为煤层倾角，px为采空区施加到护巷煤柱的束缚力。

求解屈服区界面应力的平衡方程式及边界条件[6]为：

式中：X和Y分别表示在极限平衡区内的煤体在x和y方向上的体积力，MPa；C0为煤层界面中的黏聚力，MPa；ϕ0为煤层与顶底板交界处的摩擦角，(°)。

通过数学变换，联立求解屈服区界面应力的平衡方程及边界条件，可得出采空区侧向支承压力峰值离采空区边界的距离为：

对于近水平煤层，煤层倾角α接近于0°，则上式简化为：

式中：M为煤层开采厚度，m；β为测压系数；ϕ0为煤层的内摩擦角，(°)；C0为煤层的黏聚力，MPa；px为采空区对煤柱的侧向约束力，MPa。

3 应力降低区范围及小煤柱宽度确定

3.1 基于采厚变化的应力降低区范围

8305工作面5305巷道的长轴方向为NEE，方位角为234.255°，这与同忻井田最大主应力方向一致，实际的侧向压力为最小主应力。煤层平均埋深525 m，覆岩平均容重2.5 t/m3，应力集中系数2.0。依据同忻井田地应力测试结果得出，β=0.91。煤层内摩擦角ϕ0取值28°；煤层的黏聚力C0取值1.80 MPa；采空区对煤柱的侧向约束力px取0。将各参数代入式(6)进行计算，得出侧压系数一定的情况下，随着煤层开采厚度的增加，应力降低区的范围逐渐扩大。工作面平均煤厚12.23 m，通过理论计算可以看出应力降低区范围为16.30～17.60 m，见表2。数值模拟分析结果显示，8307工作面采空区稳定后侧向支承压力应力降低区范围为0～16 m，见图3。与理论分析计算基本吻合。

表2 不同采厚时应力降低区范围

3.2 合理煤柱宽度的确定

在平均煤厚12.23 m的情况下，8307工作面采空区稳定后应力降低区的范围为16.30～17.60 m左右，8305综放工作面5305回风运料巷宽度5.5 m，为了保证沿空巷道处于应力降低区范围内，小煤柱最大宽度为10.80 m。在此基础上，煤柱越小，围岩变形越少，但是煤柱宽度要保证能够有效隔绝采空区瓦斯、水、氧气，防止产生安全生产隐患，结合邻近塔山矿的小煤柱护巷留设经验，确定小煤柱宽度6.00 m。

图3 数值模拟侧向支承压力应力降低区范围

4 结语

特厚煤层综放面采空区侧向支承压力影响范围较普通综采工作面大，支承压力的峰值深入煤体以里，应力降低区宽度更大，更有利于沿空掘巷小煤柱的灵活布置，以保证小煤柱护巷效果和有效隔绝采空区的安全生产隐患。采用小煤柱留设技术，提高了煤炭资源回收率，巷道成型好、回采期间二次维护量小，而且支护环境、安全条件要比留设大煤柱更好。相比大煤柱工作面，在相同走向长度内，每回采一个小煤柱工作面产生经济效益上亿元。