综采工作面回采巷道保护煤柱合理宽度的确定

张敏

【摘 要】 针对3501工作面回采巷道保护煤柱合理宽度优化的问题，本文采用了理论计算、数值模拟与现场监测相结合的方法，对巷道围岩支承压力以及煤柱内部弹塑性区宽度变化规律进行了研究，得出了工作面合理煤柱宽度为16m。根据现场对3501工作面辅运巷围岩稳定性监测，工作面推过80m后，巷道顶板移近量稳定在110mm左右，两帮移近量稳定在57mm左右，充分证明了16m保护煤柱留设的科学性、合理性，不但保证了矿井安全生产而且提高了煤炭资源的回收率。

【关键词】 回采巷道;煤柱宽度;围岩移近量;支承压力

【中图分类号】 TD822+.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）06-0007-03

随着矿井开采规模的扩大，一部分矿井采用了双巷掘进的方式来提高掘进效率，双巷间通过留设煤柱来保护巷道围岩稳定性。随着巷道的掘进和工作面的回采，保护煤柱应力状态将发生改变，尤其在工作面采动的影响下，如果煤柱尺寸留设不合理，回采巷道围岩稳定性难以保证，矿井安全生产将受到影响。张广超等以羊场湾煤矿为工程背景，通过建立综放工作面顶板断裂结构模型，利用数值模拟分析不同煤柱宽度下巷道围岩应力及位移特征，最终确定高强度开采综放工作面合理的区段煤柱尺寸。余学义等以亭南矿双巷掘进煤柱留设为背景，通过应力监测、数值模拟相结合的方法研究了不同煤柱宽度下巷道围岩应力分布规律，最终确定了合理的煤柱为10m。王慧林以禾草沟煤矿巷道围岩控制为背景，通过监测现场锚杆（索）应力状态及围岩移近量，最终确定了合理的煤柱尺寸为14m。如果煤柱尺寸留设过宽，虽然能够保证巷道围岩稳定性，但是会造成煤炭资源的极大浪费;如果煤柱尺寸留设过窄，回采过程中可能出现煤柱失稳破坏，影响矿井安全生产。因此选择合理的保护煤柱尺寸至关重要。

1 工程概况

某矿3501工作面位于该矿3#煤层5盘区，其中3#煤层埋深120m，平均厚度2.6m，赋存稳定，煤层倾角5°，属近水平煤层。煤层顶底板力学特性如表1所示。3501工作面设计采高为2.6m，倾向长度为242.5m，推进长度为1253m。采用三巷布置，分别为主运巷、辅运巷和回风巷，其中主运巷和辅运巷进风，回风巷回风，工作面位置关系如图1所示。主运巷和辅运巷之间保护煤柱原始留设25m。

2 煤柱合理宽度的计算

回采巷道保护煤柱在受到工作面回采影响后，会发生塑性破坏，其中一侧主要来自于工作面回采侧向应力的影响，另外一侧会受到巷道掘进后应力的影响，煤两帮一定范围内产生塑性破坏，中部则处于弹性应力状态。根据塑性区理论，要使煤柱保持稳定状态，必须保证弹性核宽度为煤层采高的2倍，所以3501工作面回采巷道保护煤柱宽度为：

结合3501工作面现场实际情况可知，煤层厚度M=2.6m，3#煤黏聚力0.5MPa，回采工作面一侧煤柱体内摩擦角[φ]=40°，覆岩平均容重[γ]=25kN/m3;平均煤层埋深H=120m，辅运巷一侧煤柱体内摩擦角[α]=30°，因此煤柱宽度为B=5.3+2×2.6+5.1=15.6m。

3 煤柱合理宽度的数值模拟研究

3.1 模型的建立

为了进一步确定煤柱合理宽度，特对3501工作面开展了数值模拟研究，根据3501工作面实际情况分别针对20m、18m、16m、14m、12m的煤柱进行了 FLAC数值模拟，相关煤岩物理力学参数见表2所示。计算模型两侧施加位移和应力约束，将其位移限制在水平方向，模拟工作面推进过程中不同宽度煤柱的受力分布及塑性区宽度，对数据进行分析确定合理的煤柱宽度。

3.2 模拟结果分析

图2为不同尺寸下，回采巷道两帮支承压力分布特征。由图可知，随煤柱尺寸的变化，实体煤侧支承压力变化不大。在煤柱侧，当煤柱尺寸为12m时，煤柱承受的最大支承压力为8MPa;当煤柱尺寸为16m时，煤柱承受的最大支承压力为12.2MPa;当煤柱尺寸为20m时，煤柱承受的最大支承压力为10.6MPa;在煤柱尺寸小于16m时，随煤柱尺寸的增加，煤柱承受的支承压力也在逐渐增加，当煤柱尺寸大于16m时，随煤柱尺寸的增加，煤柱承受的支承压力出现了下降，说明16m为煤柱的极限宽度。

图3为不同煤柱尺寸下煤柱内部弹塑性分布特征。当煤柱宽度为20m、18m、16m、14m、12m时，煤柱弹性区宽度分别为6m、9m、12.5m、15m、18m，煤柱塑性区宽度分别为6m、5.5m、5m、4.8m、4.7m。由图可以看出，当煤柱宽度小于16m时，随煤柱尺寸的增加，煤柱内部塑性区宽度明显减小;当煤柱宽度大于16m时，继续增加煤柱宽度对于塑性区宽度影响较小，仅仅增大了弹性区的宽度，有利于保证煤柱稳定性，但是造成了煤炭资源的浪费。

结合理论分析及数值模拟结果，在保证煤柱稳定的前提下，进一步提高资源回收率，3501工作面保護煤柱尺寸选定为16m。

4 工程应用

为了验证保护煤柱留设的合理性，特对3501工作面回采期间辅运巷围岩移近量进行了监测，监测结果如图4所示。由图4可知，在工作面回采过程中，监测点围岩移近量随距工作面距离的不断缩小而逐渐增加，在滞后工作面80m左右，巷道围岩移近量趋于稳定，顶板下沉量稳定在110mm左右，两帮变形量稳定在57mm左右，现场巷道矿压显现不明显，仅在局部存在小范围的片帮情况，巷道整体围岩移近量控制在合理的范围内，充分证明3501工作面保护煤柱为16m时，可以保证回采过程中巷道围岩的稳定性。

5 结论

结合现场实际情况，通过理论计算得到3501工作面合理的煤柱宽度为15.6m。

通过FLAC数值模拟研究，分析了不同煤柱宽度下巷道支承压力以及煤柱内部弹塑性区宽度变化，得到煤柱的极限宽度为16m，继续增加煤柱宽度对于塑性区宽度影响较小，仅仅增大了弹性区的宽度，有利于保证煤柱稳定性，但是造成了煤炭资源的浪费，16m为最佳煤柱宽度。

通过现场对16m隔离煤柱巷道围岩移近量监测，得出在滞后工作面80m左右，巷道围岩移近量趋于稳定，顶板下沉量稳定在110mm左右，两帮变形量稳定在57mm左右，巷道整体围岩移控制在合理的范围内。

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