综放工作面沿空掘巷区段煤柱合理尺寸探索

王茂荣

（山西煤炭运销集团金达煤业有限公司，山西 吕梁 032300）

区段煤柱是长壁工作面临空回采巷道的重要隔离体，对长壁综采工作面安全回采具有十分重要的意义[1-3]：一方面为回采巷道锚杆支护提供了作用载体，且具有一定的承载能力，使巷道围岩在锚杆支护作用下可以有效承受采空区侧向集中应力和工作面超前采动的影响，使巷道围岩处于一种相对稳定的状态，另一方面可以有效隔离采空区内有害气体，避免对本工作面影响。近年来，在高强度开采作用下，老矿区煤炭资源越来越少，为提高资源采出率，延长矿井的服务年限，许多矿井开始寻求使用无煤柱或小煤柱护巷。本文以金达矿4203 综放工作面区段煤柱为研究背景，通过理论分析，数值模拟等方法对区段煤柱合理尺寸进行了探索研究，并进行了工程实践。

1 工程概况

4203 综放工作面位于矿井井田西侧北部边缘，为二采区北翼的第二个工作面，工作面所采的煤层为侏罗系延安组4#煤层，煤层平均厚度为7.6 m，其中采3.6 m，放4 m，机头3 架、机尾4 架支架不放煤。煤层基本顶为灰色细砂岩，平均厚度为13.6 m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度为5.2 m，煤层直接底板为3.6 m 的砂质泥岩，基本底为中砂岩，平均厚度为7.3 m。

4203 工作面回风顺槽临近采空区布置空的巷道，巷道一帮为区段煤柱，另一帮为实体煤。巷道拟设计为矩形断面，其中宽度为5.2 m，高度为3.6 m，采用锚杆及锚索支护。根据以往的区段煤柱留设经验，煤柱尺寸在30～35 m 范围内，为提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限，确定使用窄煤柱沿空掘巷技术。

2 沿空掘巷窄煤柱尺寸研究

在长壁工作面回采过程中，工作面基本顶会发生周期性的破断、回转、垮落，在工作面后方形成采空区。位于工作面采空区侧上覆岩层也会随工作面持续开采发生回转变形。工作面回采后采空区侧上覆岩层在回转变形区域稳定后，在采空区后侧向一定范围内形成了一个低应力区[4-6]：该范围内煤体所受的上覆岩层应力低于原岩应力，采用沿空掘巷技术时，应将沿空巷道布置于采空区侧向低应力范围内，这样可有效避开采空区侧向集中应力的影响，有利于沿空巷道围岩的维护。

在上一工作面回采结束，上覆岩层回转变形区域稳定后，在采空区侧向一定范围内会形成塑性破碎区、塑性强化区、弹性应力增高区、原岩应力区，根据极限平衡理论，在采空区侧向煤体在塑性区和弹性区的交汇处处于极限平衡状态，采空区侧塑性屈服区域的宽度可按下式计算[7-8]：

式中：m 为端头区域煤层计算高度，端部不放煤，取3.6 m；K 为应力集中系数，根据以往的开采监测数据，取1.8；λ 为侧压系数，λ=μ/（1-μ），μ 取0.26；φ0为煤层界面内摩擦角，根据实验室测试，取29.5°；H 为埋深，取460 m；C0为煤层界面黏聚力，取1.22 MPa；γ 为上覆岩层容重，取25 kN/m3；px为侧向压力，取0.2 MPa。

将各参数代入式中可得L0=2.42 m。

沿空掘巷留设窄煤柱时，窄煤柱一侧为上工作面采空区，受上工作面采动的影响，该侧煤柱结构处于严重破坏状态；区段煤柱另一侧为回风顺槽，受锚杆作用，该侧煤柱结构可保持相对稳定。煤柱最小极限尺寸见式（2）[7-8]：

式中：L1为回风顺槽侧锚杆有效支护长度，取2.4 m。代入得，区段煤柱极限最小尺寸为4.82 m。

3 数值模拟

为进一步研究区段煤柱合理尺寸，采用FLAC3D软件建立数值计算模型，根据理论分析结果，分别研究煤柱宽度为4 m、6 m、8 m、10 m 时在采动影响下巷道围岩应力变形情况，综合确定区段煤柱的合理尺寸，模拟过程中各围岩体物理力学参数通过实验室测试获得，见表1。

表1 岩层物理力学参数

3.1 应力分布规律

图1为沿空掘巷后不同尺寸煤柱在工作面回采过程中所受应力等值线图。由图可知，随着煤柱尺寸的增大，煤柱所受应力总体上呈增大现象，宽度为4～6 m时，煤柱所受应力较小，高应力主要集中于巷道另一侧的实体煤帮；尺寸为8 m时煤柱中部所受最大应力约为16 MPa，高应力仍然集中在煤壁一侧；当宽度为10 m时煤柱所受应力大幅度增大，达到24～26 MPa，煤壁侧所受应力变小。

图1 不同宽度煤柱所受垂直应力

由此可知，煤柱尺寸为10 m 时，高应力主要集中于煤柱侧，其结构在集中应力影响下容易发生破坏，不利于巷道维护。因此初步确定合理的煤柱尺寸在10 m 以内。

3.2 巷道围岩变形

图2为不同尺寸煤柱条件下巷道围岩变形曲线。由图可知，煤柱宽度为4 m 时巷道围岩变形量均较大，顶板和底板变形量分别为337 mm 和183 mm，煤柱帮和煤壁帮变形量分别为355 mm 和223 mm；宽度变为6 m 时围岩变形量出现大幅度减小，变形量大幅度减小，此后随着煤柱尺寸的增大巷道围岩变形量逐渐减小。当煤柱宽度为8 m时，巷道围岩变形量相对较小，且随着尺寸的增大变形基本趋于稳定状态。

图2 不同宽度煤柱巷道围岩变形

3.3 煤柱合理尺寸确定

根据数值模拟分析结果，当煤柱宽度为8 m 时，煤柱所受应力相对较小，可以有效避开采动的影响，巷道围岩变形量较小，且可以保持相对稳定状态，结合理论分析研究结果，确定煤柱合理尺寸为8 m。

4 应用效果

4203 工作面回风顺槽采用沿空掘巷技术进行掘进，护巷煤柱尺寸为8 m。巷道掘进宽度为5.2 m，高度为3.6 m，采用随掘随锚的及时永久支护方式。巷道采用锚网索联合支护，顶板采用Φ22 mm×3 100 mm 型左旋无纵筋锚杆支护，间距为800 mm，排距为900 mm；两帮采用Φ22 mm×2 400 mm 型左旋无纵筋锚杆支护，煤柱帮间距为700 mm，排距为800 mm，煤壁帮间距为800 mm，排距为900 mm；锚索采用Φ17.8 mm×7 500 mm型高强度钢绞线，间距为1 800 mm，排距为2 400 mm。掘进成巷围岩区域稳定后顶板最大下沉量为236 mm，煤柱帮最大变形量为245 mm，煤壁帮最大变形量为125 mm；工作面回采期间巷道顶板最大变形量为425 mm，煤柱帮最大变形量为453 mm，煤壁帮最大变形量月为260 mm，整个工作面回采期间回风巷道围岩可以保持相对稳定状态，能够满足工作面安全生产要求。

5 结论

1）根据4203 工作面回风顺槽实际开采技术条件，通过极限平衡理论得出采空区侧向塑性屈服区域宽度为2.42 m，进而得出区段煤柱最小尺寸为4.82 m。

2）数值模拟研究表明，煤柱宽度为4～6 m 时煤柱所受应力很小，沿空巷道围岩变形量较大；当煤柱尺寸为10 m 时所受应力大幅度增大，不利于煤柱结构稳定和后期巷道维护；当煤柱宽度为8 m 时所受应力较小且沿空巷道可以保持相对稳定，结合理论分析结果，综合确定区段煤柱合理尺寸为8 m。

3）实践表明区段煤柱尺寸设计合理，沿空掘进及工作面回采期间巷道围岩变形量相对较小，可以满足安全生产要求。