万通源煤矿401采区辅助巷道煤柱尺寸优化设计

曹兴良，宋永起

(1.山西朔州平鲁区茂华万通源煤业有限公司，山西 朔州市 036000；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛市 266590)

目前我国部分煤矿仍存在依靠经验来确定煤柱宽度的现象，由于缺乏科学性和针对性，往往造成煤炭资源的浪费，致使巷道在掘进和回采过程中难以维护，甚至出现冒顶等事故[1−3]。因而，煤柱护巷技术的关键问题是如何在兼顾资源回收率和巷道稳定性的前提下，合理确定煤柱宽度。保留煤柱的宽度与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关，煤柱宽度选择的正确与否，对保证巷道稳定至关重要。

1 煤柱宽度确定方法

煤柱宽度的确定方法目前主要有经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测4 种方法[4−5]。经验法主要由现场技术人员根据生产经验来确定煤柱宽度，缺乏科学性和针对性；理论计算法根据岩体的应力极限平衡理论推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式；数值模拟法是利用数值模拟软件对不同煤柱宽度下的巷道围岩变形、受力进行计算分析，进而确定合适的煤柱宽度；现场实测是在煤柱中安设测试仪器，实测煤柱支承压力分布、巷道围岩变形，通过对监测数据进行比较分析来确定煤柱宽度。

为科学确定万通源煤矿试验面沿空掘巷的合理位置，采用理论研究和数值分析等方法，系统研究401 采区辅助回风巷和机轨合一巷煤柱沿空掘巷问题，使留设煤柱宽度合理化。

2 煤柱合理宽度理论计算

2.1 确定煤柱合理宽度的理论依据

靠近工作面顶板上方基本顶与高位岩层产生离层，且基本顶为传递岩梁，故内应力场只有基本顶、直接顶岩层控制；工作面前方的高位岩层、基本顶、直接顶未离层，故高位岩层的力直接作用于外应力场。工作面采用煤柱掘巷时，要保障沿空巷道位于内应力场低应力区。沿空工作面侧向岩层结构示意如图1 所示。

图1 沿空工作面侧向岩层结构示意

为了减少巷道围岩移近量以使巷道保持稳定，降低区段煤柱损失，区段平巷的护巷煤柱宽度应尽可能小一些。但如果护巷煤柱过小，在高应力作用下，煤柱破裂可能使锚杆安设在破碎围岩中，导致锚杆锚固力减弱，支护作用降低。由此可见，在保证巷道稳定性的同时提高煤炭资源的回采率，是确定煤柱合理尺寸的前提条件。

2.2 合理煤柱宽度理论计算

煤柱宽度理论计算主要有极限平衡计算法和载荷计算法。

2.2.1 极限平衡计算法

极限平衡法在发挥锚杆（索）等极限锚固作用的前提下，使煤柱尺寸尽可能小，以达到维护巷道稳定、提高采出率的目的。按照煤巷两帮煤体应力分布规律和极限平衡理论[5−6]，依据图2 的计算模型，参考矿井实测相关参数，计算合理的最小护巷煤柱宽度B：B=x1+x2+x3。

图2 合理煤柱宽度计算

参考相关参数，计算401 采区辅助回风巷与40103 工作面运输巷之间的煤柱合理宽度B：B=x1+x2+x3=12.54～14.72 m。

式中，x1为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度；m为煤层厚度，13 m；A为侧压系数，0.5；φ为煤体内摩擦角，30°；C0为煤体黏聚力，3 MPa；k为应力集中系数，3；H为巷道埋藏深度，267.75 m；ρ为岩层平均密度，2.5 t/m3；P0为上区段平巷支架对下帮支护阻力，相邻已采面采空侧P0＝0；x2为锚杆锚入煤柱的深度，2.0 m；x3为安全系数，x3=(0.15～0.35)(x1+x2)=1.64～3.82 m。

根据以上讨论及计算，沿空掘巷的合理煤柱尺寸为12.54～14.72 m。出于安全考虑，取煤柱尺寸不小于15 m。

2.2.2 载荷估算法

载荷估算法认为煤柱承受的载荷来源于两部分：一是煤柱宽度对应的上覆岩层的重量；二是一侧或两侧采空区沿倾斜长度方向对应的上覆岩层重量[7−9]，其计算模型如图3 所示。

图3 煤柱载荷计算模型

401 采区辅助回风巷与40103 工作面运输巷之间的煤柱受到上覆岩层作用的总载荷为：

式中，B为煤柱宽度，m；D为采空区宽度，200 m；H为巷道埋藏深度，267.75 m；ψ为岩层自然垮落角，30°；ρ为岩层平均密度，2.5 t/m3。

单位宽度上平均应力为：

煤柱极限强度的计算公式为：

式中，h为煤柱高度，m；Rc为煤体单轴抗压强度，30 MPa。

则煤柱稳定条件是：σy≤R。

综合可得，煤柱合理宽度B≥16.8 m。基于安全考虑，取煤柱尺寸不小于17 m。

3 巷道围岩稳定性的数值模拟分析

沿空掘巷的煤柱宽度影响巷道围岩应力状态及围岩位移分布。围岩和巷道支护结构的相互作用相当复杂，因此，巷道结构的动静力学计算是比较复杂的。尤其对于非线性岩体内的连续或不连续介质和任意几何外形的巷道结构，其力学计算一般借助近似的数值方法。

3.1 煤柱沿空掘巷模型设计及其计算分析

根据巷道边界条件、煤层顶、底板情况及倾角，确定实体煤巷道的计算模型，据此分析实体煤－煤柱巷道在受到上下2 个区段工作面回采影响时巷道围岩变形与破坏规律。

模型的几何尺寸x×y×z=500 m×500 m×60 m在上区段采空区附近留设一定宽度煤柱后掘进巷道，巷道左界为留设煤柱，煤柱左边为上区段工作面，巷道右侧为实体煤及本区段工作面。不同宽度煤柱下巷道围岩变形与破坏数值模拟型在前、后、左、右及下部均为固定边界，没有水平位移，即Sx=Sy=0。在模型上部施加垂直应力，应力大小为：P=（埋深−模型的高度）×平均容重=（267−60）×2.5/100=5.175 MPa。

根据煤层条件及现场实际应用的可行性，本次计算在其他条件不变的情况下计算分析不同宽度煤柱的破坏状况，共设计了3 个计算模型。对于煤体−小煤柱巷道，分别模拟宽度为10 m、15 m、20 m时巷道围岩及煤柱的破坏情况。

首先开采上区段工作面，然后根据煤柱的大小确定沿空巷道开挖的位置，为了使计算符合实际条件，在开挖巷道周围加密网格的划分，之后开采下区段工作面。由此模拟沿空巷道围岩变形与破坏规律，并确定合理煤柱尺寸，建立模型如图4 所示。

图4 数值模拟模型

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 沿空掘巷巷道围岩主应力分布与煤柱宽度的关系

如图5 所示，当401 辅助回风巷与40103 采空区之间煤柱宽度为10 m 时，巷道右侧顶、底板受力最大，受工作面回采的影响，在离采空区5 m 时，开始出现应力集中，应力分布区域明显，大小主应力相差较大，此时巷道会受到严重破坏，支护困难。

图5 不同煤柱尺寸围岩应力分布

当煤柱宽度为15 m 时，应力分布情况与煤柱宽度10 m 时接近，所不同的是巷道所处的高应力范围变小且处在应力集中区域的边缘，随着煤柱宽度进一步加大，巷道会慢慢远离高应力区。

当煤柱宽度为20 m 时，巷道离开高应力区，处在应力降低区域，此时巷道顶、底板受力明显变小，巷道变形量小，巷道支护相对容易且维护简单。

3.2.2 沿空掘巷巷道围岩侧向塑性区扩展与煤柱宽度的关系

煤柱宽度不同，其围岩塑性区扩展也有所不同，如图6 所示，当煤柱宽度为10 m 时，2 条巷道围岩均出现不同程度破坏，尤其以巷道顶板及煤柱破坏为主，401 辅助回风巷完全处于塑性破坏状态，机轨合一巷约有70%左右处于塑性破坏状态，煤柱侧顶角尤为严重，而煤柱几乎完全处于塑性或塑性破坏状态，主要因为老顶在巷道上方向采空区回转，以及由于工作面回采造成煤柱上应力集中。巷道底板及实体煤帮相对破坏程度较轻，只是处于塑性流变状态，而巷道表面四周围岩基本破坏。

图6 不同煤柱尺寸塑性区破坏情况

当煤柱宽度为15 m 时，机轨合一巷脱离塑性区，但是401 辅助回风巷底板和左右帮还处在塑性破坏区域。

随着煤柱宽度进一步加大，巷道表面及围岩在顶、底及实体煤侧均无破坏，处于塑性流变状态，只有煤柱侧帮煤有略微破坏，围岩整体完整程度很高。当煤柱宽度为20 m 时，巷道底板围岩破坏程度减轻，401 辅助回风巷左帮还处在塑性破坏区域，对整体影响较小。

4 合理煤柱宽度确定

工作面回采过程中，两侧煤体上支承压力分布状态是不断发展变化的，因此巷道开掘的位置决定了巷道受顶板活动和支承压力影响的程度和过程，正确选择巷道开掘位置是保证巷道稳定性、改善巷道维护条件的根本措施，也是巷道矿压控制设计的首要任务。通常是在实测研究上覆岩层运动及其支承压力分布规律的基础上，确定低应力区的范围和稳定时间，最大限度地减轻集中应力的影响。

导致煤体处于弹塑性两种应力状态和岩层运动的发展规律不同，不同的支承压力分布，对应沿空巷道开掘的合理位置和时间也是有区别的。

4.1 煤柱留设的原则

煤柱是沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性除了同构造应力、水平应力、回采影响及合理的支护参数有关外，更多的与煤柱宽度密切相关。根据有关专家、学者的相关研究[7-9]，得到沿空掘巷留设煤柱的宽度应满足以下几个原则。

（1）巷道处于应力降低区。采空区侧向支承压力分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，煤柱的稳定性均较好。

（2）利于巷道围岩稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎，顶煤及实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。煤柱宽度应有一个合理值。

（3）煤柱内部应有稳定的区域。受上区段工作面侧向支承压力作用和巷道掘进影响，煤柱两侧出现破碎区。如煤柱全处于破碎区中，则其承载能力和稳定性较低，巷道维护困难。

（4）采出率高。煤柱越小，采出率越大，在满足稳定的前提下，尽可能减小煤柱宽度。

4.2 合理煤柱宽度的确定

综合极限平衡计算法和载荷估算法确定合理的煤柱宽度。根据煤柱确定的原则，从煤柱的稳定性、采出率等方面考虑，经过理论计算，确定401 采区辅助回风巷与40103 工作面运输巷间的煤柱合理宽度分别不小于15 m 和17 m，为安全起见，取煤柱尺寸不小于17 m。

自辅助回风巷往北偏移20 m，布置40103 工作面运输顺槽，留设20 m 煤柱（大于合理煤柱尺寸17 m）。

5 结论

针对401 采区辅助回风巷与机轨合一巷的煤层赋存特点和开采技术条件，通过理论分析及数值模拟方法，确定了401 采区辅助回风巷与40103 工作面运输巷之间的合理煤柱宽度为20 m。