黑龙煤业综放工作面煤柱留设宽度探讨

苏燚豪

（潞安化工蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

为维护回采巷道的稳定性，防止巷道因产生大变形而影响工作面的正常生产，以及邻近工作面采空区水、有毒有害气体的涌出，通常在两工作面间留设一定宽度的护巷煤柱［1-2］。传统巷道布置理论认为，应该尽量将巷道布置在侧向支承压力影响区以外，这类煤柱尺寸较大，一般在20～30 m范围内［3］。但随着回采工作面的推进，巷道依然易发生大变形，出现片帮、冒顶等问题，严重的甚至会影响工作面正常生产、造成人员伤亡等问题［4-6］。此外，煤柱尺寸过大造成资源严重损失，降低了资源采出率。针对上述问题，国内学者开展了大量的研究，通过留设小煤柱在防止漏风及邻近采空区有毒有害气体涌出的同时，减小煤柱的留设尺寸，最大限度的将煤炭资源开采出来［1］。

针对黑龙煤业有限公司工作面回采期间巷道变形量大、局部片帮冒顶严重、煤柱留设尺寸大造成煤炭资源浪费严重等问题，以该矿2101 工作面回风巷道护巷煤柱为研究对象，采用理论分析及数值模拟的方法，确定了回采巷道护巷煤柱合理留设尺寸。

1 工程背景

黑龙煤业有限公司2101 工作面位于井田内一采区，工作面东面与运输大巷、轨道大巷、回风大巷相连，西面为边界保护煤柱，北面为未开采区域，南面为2102 工作面。2101 工作面煤层伪顶为一层厚度为0.4 m 泥岩，水平层理发育，随采随冒；老顶为石灰岩，平均厚度为13.7 m；直接底为泥岩，平均厚度为7.42 m；老底为细砂岩，平均厚度为3.43 m。2101 工作面采用综放开采技术，同时开采9#、10#、11#煤层，工作面范围内煤层厚度稳定，9#煤层平均厚度0.8 m，与10#、11#煤层间有一层平均厚度为1.6 m 夹矸，10#、11#煤层在工作面范围内合并。平均厚度为4.8 m。工作面采高3.0 m，放煤（矸）高度4.2 m，采放比1∶1.4，放煤步距为0.8 m。工作面原设计区段保护煤柱宽度为35 m，为提高工作面回采率，以2102 工作面与2101工作面区段煤柱的留设宽度为背景展开研究。

2 理论计算

传统巷道布置方式是将巷道布置在侧向支承压力影响区以外，从而达到了维持巷道围岩稳定性的目的。然而，即使将巷道布置在支承压力影响区以外仍难以避免巷道围岩出现严重变形等问题。原岩应力大，煤岩体强度低等问题是导致巷道变形的根本原因。

如果采用小煤柱方法，将巷道布置在围岩应力降低区以内，不仅能够使巷道处于低应力水平，还能减小煤柱的宽度，提高资源回收率。煤柱两侧由于受到侧向支承压力作用，煤体内裂隙较为发育，承载能力较低，而锚杆支护需要将锚杆锚固在稳定区域内，如果煤柱宽度较窄，锚固段煤体较为破碎，将难以形成足够的锚固力，从而难以控制巷道围岩的稳定性。因此，既要将巷道布置在应力降低区，还要保证煤柱的稳定性。则小煤柱宽度计算公式为：

式中：B为煤柱宽度，m；x1为护巷煤柱煤体破碎带宽度，m；x2为锚杆锚固段长度，m；K为安全系数，取1.2。

通过对2101 工作面煤柱进行钻孔窥视可知，破碎带宽度为2.4 m，锚杆锚固段长度为1.6 m，经计算，煤柱宽度B=7.68 m。根据理论计算可知，采用8 m 煤柱宽度可以满足要求。

3 数值模拟

3.1 模型建立

根据2101 工作面综合柱状图建立数值计算模型，模型长400 m（推进方向），宽300 m （工作面倾斜方向），高200 m，模型共划分了198 723个单元和206 448 个节点。模型四周及底部采用位移边界条件，四周约束水平位移，底部约束水平和竖直两个方向位移。采用莫尔库仑理想弹塑性屈服准则模拟煤岩层受力过程的屈服行为，煤岩物理力学参数见表1。模型分别模拟巷道未开挖以及留设8 m、15 m 煤柱时围岩应力及变形特征，巷道尺寸5 m×3.5 m。

表1 煤岩层物理力学参数

3.2 模拟结果

（1）巷道未开挖时，工作面围岩应力见图1。由图1 可知，巷道未开挖时，围岩应力随距回采巷道距离的增加而迅速增加，在距巷道约25 m 时，应力达到最大值，约为24 MPa，此后逐渐降低，并在距巷道约35 m 后逐渐趋于稳定，约18 MPa。而在距离巷道10 m 范围内，围岩因受到采动应力影响而屈服，应力处于较低水平，此处围岩虽然已经屈服，但从维持巷道稳定性的角度来考虑，由于处于低应力区而有利于下区段巷道维护。

图1 工作面侧向支承压力分布情况

（2）图2 为不同煤柱宽度下工作面侧向支承压力分布情况。由图2 可知，采用小煤柱护巷后，巷道开挖后围岩应力的整体分布趋势并没有发生明显变化，应力峰值基本未发生变化，但是峰值位置向围岩深部转移。相较于15 m 的煤柱宽度，8 m宽煤柱围岩应力降低区范围基本未发生改变。此时巷道两帮最大移近量为0.15 m，顶底板最大移近量为0.12 m，巷道围岩变形基本可控。这表明，在保证巷道围岩稳定性可控的基础上，采用小煤柱护巷方式更具优势。

图2 不同煤柱宽度下工作面侧向支承压力分布情况

4 现场观测

根据理论分析和数值模拟结果，2102 工作面与2101 工作面区段煤柱宽度最终确定为8 m。为进一步验证小煤柱留设效果，分别采用钻孔窥视及巷道变形监测法对巷道围岩完整性及变形量进行观测，结果如下：

（1）钻孔窥视。在距离2101 工作面回风巷道+1 300 m 处每间隔5 m 向煤柱内打设钻孔，钻孔深度为8 m，利用GD3Q-GM型钻孔窥视仪分别对不同钻孔内围岩裂隙发育情况进行观测，钻孔窥视结果显示，小煤柱内部虽然裂隙发育，但煤柱整体性较好，能够保证锚杆的稳定性。

（2）巷道位移量。在2101 工作面回风巷道表面布置测点，采用“十”字交叉法进行观测，共布置测区4 个，每个测区分别布置测点3 个，测点间距为10 m，对2101 工作面回风巷道掘进期两帮和顶底板变形情况进行观测。观测结果显示，巷道掘进期间巷道两帮最大移近量96 mm，顶底板最大移近量85 mm，巷道变形量较小，且变形逐渐趋于稳定。

5 结语

通过理论计算及数值模拟，留设8 m 小煤柱可以满足工作面正常生产要求。现场观测表明，煤柱宽度为8 m 时，煤柱内部裂隙虽然发育，但整体性较好，密闭性较强。巷道掘进期间两帮最大移近量为96 mm，顶底板最大移近量85 mm，两帮移近量大于顶底板移近量，巷道变形量较小，且变形逐渐趋于稳定。因此，小煤柱护巷方式能够维持巷道围岩的稳定性，同时实现更高的煤炭回收率。