综放工作面沿空侧巷道煤柱宽度优化

马华杰

(山西晋城煤业集团 圣坡底煤业， 山西 晋城 048000)

小煤柱沿空掘巷能够提高煤炭资源采出率，进而提高采区开采的经济效益。但当煤柱宽度留设不当时，往往会造成回采期间矿压显现严重等问题。本文在梅星、刘畅、李宪伟等[1-3]的研究基础上，提出了基于覆岩侧方位断裂线位置，确定小煤柱宽度的新思路，并针对沿空侧巷道围岩应力环境提出了非对称支护方案。

1 工程背景

1.1 工程地质概况

山西晋城煤业集团某矿井田东西走向长为21.8 km，南北倾向宽为5.2 km，井田内煤层地质储量为1 285.872 Mt，可采储量为523.656 Mt. 矿井设计生产能力为6.00 Mt/a，预计总服务年限为87.3 年。井田内北翼二采区开采期间，主采2#煤层厚度为4.2～8.5 m，均厚6.35 m，倾角为+5°～+13°，平均倾角为9°，属于近水平煤层开采条件。采区内工作面采用综采放顶煤开采工艺，采高为3.5 m，采放比接近1∶1. 北翼二采区内首采工作面为N2101工作面，其接续工作面为邻近的N2102工作面，两邻近工作面之间留设有20 m宽的屈服煤柱。关于北翼二采区内各工作面的相互位置关系见图1.

图1 北翼二采区内工作面平面布置图

1.2 矿压显现概况

N2101首采工作面回采期间造成的剧烈采动扰动影响以及煤柱宽度留设的不合理、支护方式的不科学等因素，导致邻近的N2102回风平巷矿压显现明显。

图2 N2102回风平巷现场矿压显现情况图

N2102回风平巷现场破坏情况见图2.由图2a)可知，回风平巷出现了顶板局部严重冒顶，最大冒顶高度达5.7 m，冒顶区域内顶板锚索被拉断；顶板内靠近屈服煤柱侧出现了顶煤被水平挤压破碎严重的现象，导致锚杆支护失效，需要返修重新补打锚杆，见图2b)；屈服煤柱侧煤帮内鼓变形严重，帮部煤体被严重挤出，对巷道的维护造成了困难，见图2c)；局部巷道段甚至出现了底板严重底鼓的现象，使得原本水泥硬化处理过的路面出现鼓起开裂情况，见图2d).

2 覆岩侧方位断裂线位置理论分析

2.1 现场试验方法

在屈服煤柱宽度为20 m的条件下，采用YS(B)型矿用电子钻孔窥视仪对巷道顶板覆岩侧方位断裂线位置进行现场勘测，关于钻孔窥视仪的勘测思路和方法见图3.

图3 钻孔窥视试验技术路线图

现场选取图1中所示的1#、2#和3#三个试验地点进行打孔勘测，3个试验地点之间的相互间距为50 m. 针对每一个试验地点，采取对顶板施工一排8个呈扇形布置的高位钻孔，并采用YS(B)型矿用电子钻孔窥视仪对施工的高位钻孔内部进行勘测，综合3个试验地点的勘测结果汇总情况，对覆岩侧方位断裂线位置进行确定。

2.2 窥视结果分析

通过对3个试验地点的勘测结果汇总，描绘出覆岩侧方位断裂线位置的几何分布规律，见图4，5.

由图4可知，通过钻孔窥视仪对每一个试验地点内的每一个高位钻孔进行勘测，并根据较小裂隙、破碎带及较大垂直裂隙的分类标准对每一个钻孔进行符号标注，最终将呈破碎带及较大垂直裂隙分布比较密集的符号进行连线，得到了覆岩侧方位断裂线的几何分布形态。根据7#高位钻孔长度、方位角以及其与N2102回风平巷煤柱帮的相对位置关系，通过几何三角函数计算，可以得到覆岩侧方位断裂线的相对位置关系为距离煤柱帮水平距离为5.1～5.8 m，见图5. 这表明覆岩侧方位破断位置位于屈服煤柱上方靠近N2102回风平巷煤柱帮侧。

2.3 覆岩侧方位断裂位置理论分析

由现场钻孔窥视勘测结果可知，覆岩侧方位破断位置在煤柱体上方，且靠近N2102回风平巷煤柱帮侧，其断裂结构形式见图6a). 这种破断结构形式下，覆岩岩块B回转失稳将会产生较高的水平挤压力作用，在这一水平挤压力的作用下，N2102回风平巷顶板较为破碎，支护体结构无法发挥出其应有的作用。受邻近N2101工作面回采扰动影响，发生冒顶的可能性较大。基于弹塑性极限平衡理论，可以计算出覆岩侧方位断裂位置距离N2101采空区煤壁的距离，计算公式如下[4]：

(1)

式中：

图4 钻孔窥视素描图

图5 断裂线几何关系图

x0—覆岩侧方位断裂线位置与采空区煤壁的水平距离，m；

C—煤体黏聚力，MPa，取2.0；

P—煤柱侧支护阻力，MPa，取0.75；

庭审中，面对赵某的索赔要求，马某声称自己并不是狗的主人，故不应承担赔偿责任，但其未能提供声称所送之人的相关资料。那么谁来赔偿赵某被咬伤的损失呢？

φ—煤体内摩擦角，(°)，取37；

m—煤层开采高度，m，取6.35；

λ—侧压系数，取1.4；

K—最大应力集中系数，取2.1；

γ—覆岩平均容重，kN/m3，取25；

H—N2101工作面平均埋深，m，取465.

计算求解可知，x0=14.7 m. 根据理论计算的x0值可知，覆岩侧方位断裂线位置距离N2102回风平巷煤柱帮水平距离为5.3 m，这一理论计算结果与上述现场钻孔窥视结果相符合，进一步验证了覆岩侧方位断裂线的具体破断位置。

图6 N2012回风平巷覆岩断裂结构形式图

由图6b)可知，如果能使得覆岩侧方位断裂线位置位于实体煤上方，将会大幅度减小覆岩中岩块B回转失稳对于巷道围岩的影响，且能够将岩块B的支承应力向实体煤深部转移，起到对巷道的保护效果。综合考虑理论计算x0值为14.7 m，N2102回风平巷尺寸为宽5.0 m×高3.5 m. 因此，留设煤柱宽度B≤14.7-5=9.7 m时，覆岩侧方位断裂线位置能够处于N2102回风平巷实体煤侧上方，结合煤炭资源开采经济效益最大化的思路，在此考虑留设5 m宽的小煤柱作为后续N2103工作面沿空侧的护巷煤柱。

3 覆岩侧方位断裂线位置模拟分析

3.1 数值模型的建立

基于井田内北翼二采区工程地质条件，应用FLAC3D数值模拟软件建立三维模型，所建模型的尺寸为长270 m×高90.4 m×宽1 m，模型内巷道尺寸为宽5.0 m×高3.5 m. 三维模型四周采用水平方向位移约束，底面采用水平和垂直方向位移固定约束，模型上表面施加等效载荷q=10.5 MPa. 巷道围岩支护结构具体参数以及模型具体情况见图7.

图7 FLAC3D三维数值模型图

采用FLAC3D数值模拟软件建立摩尔库伦本构模型[5-6]，模型中煤岩层物理力学参数赋值情况见表1.

3.2 数值模拟结果分析

基于图7所示FLAC3D数值模型，通过改变护巷煤柱宽度(5 m、8 m、11 m、20 m)进行模型运算，关于应力-塑性区分布情况见图8.

由图8a)可知，在煤柱宽度为5 m的情况下，煤

表1 煤岩层物理力学参数表

柱体处于完全屈服塑性状态，煤柱体基本不承载覆岩关键块B的重力载荷，煤柱体内峰值应力仅为5.99 MPa，而实体煤侧峰值应力高达23.38 MPa，说明覆岩关键块B的重力主要由实体煤侧承载，煤柱体稳定性较好。由图8b)可知,在煤柱宽度为8 m的情况下，煤柱体承载能力开始增大，煤柱体内峰值应力增大至11.73 MPa，相应的实体煤侧峰值应力开始下降为22.85 MPa. 由图8c)可知,随着煤柱体宽度的进一步增大至11 m，由于此时覆岩侧方位断裂线位置位于煤柱体上方，可见煤柱体的承载能力急剧增大至19.44 MPa，而实体煤侧承载峰值应力进一步降低为20.73 MPa. 此时巷道两帮承载峰值载荷相差不大，煤柱体内应力值较高，对于煤柱体的稳定性影响较大。由图8d)可知，随着煤柱体宽度的进一步增加至20 m，煤柱体为覆岩关键块B的主要承载体，且煤柱体内应力分布曲线呈双峰值分布规律，在靠近巷道煤柱帮侧存在大小为24.97 MPa的峰值应力，反观实体煤帮内应力峰值下降至16.76 MPa. 此时煤柱内峰值应力距离煤柱帮的距离大约为6 m，这与前面理论计算与现场钻孔窥视结果吻合性较高，说明了数值模拟结果的准确性。

综合不同护巷煤柱宽度下的模拟结果可知，在留设宽度为5 m的护巷煤柱条件下，煤柱体内应力环境较好，覆岩关键块B的重力主要由实体煤侧承载。此时接续工作面沿空侧巷道不易受到邻近工作面回采扰动影响而破坏，并且能够提高煤炭资源的回收率，因此最终确定后续N2103工作面掘进期间，其与N2102工作面留设5 m宽的护巷保护煤柱。

4 N2102回风平巷支护优化工业性试验

由于N2102工作面已经处于掘进末期，无法实现对于煤柱宽度的优化调整，因此，对N2102回风平巷原有支护方案进行优化补强。对于煤柱帮补打d17.8 mm×L6 300 mm的钢绞线锚索，间排距为1 700 mm×2 000 mm. 顶板锚索改用d17.8 mm×L8 300 mm的钢绞线锚索并增加至3根，且中部锚索布置位置偏离巷道中心线而靠近煤柱侧，中部锚索和靠近煤柱侧的锚索采用16#槽钢连接。优化补强后的支护方案及现场巷道围岩控制效果见图9.

图8 不同煤柱宽度时应力-塑性区分布图

图9 N2102回风平巷支护优化及现场控制效果图

5 结 论

1) 北翼二采区内邻近工作面之间留设20 m屈服煤柱时沿空侧巷道围岩控制效果不佳，出现冒顶、帮部内挤、底鼓等矿压显现问题。

2) 钻孔窥视勘测结果表明，覆岩侧方位断裂线位置为距离煤柱帮水平距离5.1～5.8 m，理论计算结果为5.3 m，表明覆岩侧方位断裂位置位于煤柱体上方。

3) 数值模拟分析了不同煤柱宽度下巷道围岩的应力-塑性区分布情况，得出留设5 m小煤柱能够起到对覆岩关键块B重力转移的效果。此时沿空侧巷道不易受邻近工作面回采扰动影响而破坏，并且能够提高煤炭资源的回收率。

4) 对于煤柱宽度无法优化的N2102回风平巷，采取非对称性的优化补强支护，实现对巷道围岩控制效果的提升。