新元煤矿9104 工作面沿空巷道合理区段煤柱分析

徐慧刚

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400）

0 引 言

煤矿主要开采方式为井工开采，留设煤柱沿空掘巷在井工开采中应用广泛。通过对沿空掘巷的煤柱宽度进行研究，有利于在实现工作面安全回采的同时提高煤矿资源的回收率，对推进矿井高质量、高效益及安全生产有着重要的意义。在从前的概念里，为确保工作面正常的接替，相邻工作面之间往往留设20 m 甚至更宽的煤柱，但近年来的研究成果表明，留设较宽的煤柱易使煤柱上方应力较高从而诱发煤柱帮破坏严重，且造成严重的资源浪费。在煤炭开采技术的不断进步下，窄煤柱沿空掘巷技术得到了推广和应用，不仅提高了资源的使用率，还能使巷道合理的处于应力较低的地点，受力小，易于巷道安全稳定；因此，本文采用理论分析、数值模拟的方法，计算煤柱的合理宽度，并通过对比不同宽度下的煤柱巷道稳定性，验证理论计算的合理性，为实际工程的煤柱留设提供合理指导。

1 工程概况

山西省新元煤矿位于沁水煤田北部，主采3、9、15 号煤层，3 号煤为山西组主要可采煤层，9、15 号位于太原组，为该组主要可采煤层。9104 工作面布置在9 号煤层中，煤层为近水平煤层，顶板以砂质泥岩及泥岩为主，底板为砂质泥岩，局部为细、粉砂岩。9104 工作面沿着9 号煤层底板布置。经过原有煤柱留设宽度来看，巷道在掘进期间易发生变形破坏，在上覆岩层回转下沉作用下，煤柱帮易发生破坏，增大了巷道的维护成本及工作难度；因此，欲在9104 工作面规划时留设好合理宽度，保证将来的安全回采。

2 煤柱合理宽度设计

2.1 煤柱宽度理论分析

在上区段相邻工作面开采覆岩垮落稳定后，基本顶随着采动等因素在采空区边缘将形成“大结构”，分为3 个部分。分别为煤体上方块体A、在煤柱边缘上方破断的上覆岩层形成的三角块结构、在采空区上方与岩块B 形成的铰接链结构的岩块C，如图1 所示。侧向实煤体应力分布由近及远的呈现出应力降低区、应力升高区、原岩应力区，将煤柱及巷道布置到应力降低区即是保证沿空掘巷稳定性的最合理方法。

图1 沿空掘巷覆岩垮落大结构图

2.2 煤柱宽度计算

当相邻工作面回采过后，煤柱一侧成为采空区，巷道掘进时使得煤柱两侧形成一定范围的塑性区，煤柱的宽度设定就与其两侧塑性区有关。根据极限平衡理论，考虑其自身稳定性及巷道围岩的稳定性，煤柱宽度的计算包含3 个部分，如图2 所示。计算煤柱宽度为：

图2 沿空掘巷合理煤柱宽度示意图

式中：B为煤柱宽度，m；x1为煤柱帮锚杆支护有效长度，m；x2为考虑煤柱留设的富裕宽度，一般按（x1+x3）×（20%～40%）计算，m；x3为 9104 相邻工作面采空区侧塑性区宽度，m；

其中，x3计算公式为：

式中：m为开采煤层厚度，m；A为煤柱帮侧压系数；φ1为工作面煤体内摩擦角，0；c1为工作面煤体内聚力，MPa；K为煤柱应力集中系数；γ1为岩层平均容重，N/m3；H为巷道埋深，m；Px为相邻工作面煤柱帮的支护阻力，MPa。

根据矿方提供资料及岩石力学实验，将各项变量代入公式 （5） 中得到 ，x1为 2.2 m，x2为 2.2 m，x3为 3.8 m，即，B= 2.2 + 3.0 + 3.8 = 9.0 m，因此，在该工程背景下，煤柱的留设宽度至少为9 m 以上。

3 区段煤柱合理宽度数值模拟

采用FLAC3D软件，结合9104 工作面工程背景，建立数值计算模型，采用摩尔-库伦模型进行计算，分析煤柱宽度为 4 、6 、8 、12 、16 、25 m 时顶板垂直应力峰值、巷道两帮的垂直位移量，确定合理煤柱宽度，如图3 所示。

图3 数值模拟模型图

3.1 不同宽度煤柱沿空巷道应力分布规律

如图4 所示为不同宽度煤柱条件下巷道两帮的垂直应力峰值变化规律图，由图可以看出，当煤柱宽度为3 m 时，煤柱帮所受垂直应力峰值最小，随着煤柱宽度的增加，煤柱帮垂直应力峰值也随着增加，当煤柱宽度增加至16 m 时，与25 m 时相比应力峰值已变化不大；随着煤柱宽度的增加，实煤体帮垂直应力峰值出现先增大后减小的情况，但总的来说垂直应力峰值变化的幅度不大，其中，当区段煤柱宽度为9、12 m 时，实煤体帮垂直应力峰值稍大。

图4 不同区段煤柱宽度垂直应力峰值

3.2 不同宽度煤柱沿空巷道变形量变化规律

图5 所示为不同宽度煤柱巷道两帮的变形量曲线图，由图可看出，当煤柱宽度为3 m 时，巷道煤柱帮及实煤体帮变形量均比其他宽度大，虽然煤柱宽度为3 m 时，煤柱帮所受垂直应力最小，但宽度较小使得煤柱不能承受上覆岩层压力而变形较大，当煤柱宽度为6、9、25 m 时，煤柱帮及实煤体帮的变形量均较小，但当煤柱宽度为25 m 时处在应力升高区，巷道两帮所受垂直应力较大，且煤柱太宽造成资源浪费。当煤柱为6 m 时，虽煤柱帮变形量与9 m 时相差不大，但实煤体帮变形较大，且根据上文的煤柱宽度计算公式小于9 m，因此，综合考虑下，9 m 煤柱留设宽度为最佳宽度，能满足工程实际需要。

图5 不同区段煤柱宽度两帮变形量

综上所述，随着煤柱宽度的增加，煤柱帮垂直应力峰值也随着增加，当宽度增加到一定值时，垂直应力峰值变化不大。当煤柱宽度为6、9、25 m 时，煤柱帮及实煤体帮的变形量均较小，但煤柱太宽造成了不必要的资源浪费，综合考虑下，9 m 煤柱留设宽度为最佳宽度。

4 现场应用效果检验

4.1 巷道支护设计

9104 回风巷采用矩形断面的形式沿着煤层底板掘进，如图6 所示。

图6 巷道围岩位移量图

巷道顶板采用φ22 mm×2 400 mm 的高强度螺纹钢锚杆，间距800 mm，排距1 000 mm；同时采用φ18.9 mm×6 300 mm 锚索对顶板进行加强支护。锚索间距800 mm，排距1 000 mm。巷道两帮分别采用φ22 mm×2 200 mm 的高强度螺纹钢和玻璃钢锚杆进行支护，间距为800 mm，排距为1 000 mm，。

4.2 巷道围岩变形现场监测

煤柱合理宽度的留设不仅要考虑工作面能够安全回采，还要考虑到资源的合理利用。在对两方面进行考虑后，确定了9 m 煤柱为留设的最佳宽度，并进行了工程试验，在巷道中布置测站，监测巷道在掘进过程中的围岩变形规律，巷道掘进期间的变形量及相对变形速率如图7、图8 所示。

图7 巷道围岩位移量图

图8 巷道围岩位移速率图

如图7 所示为巷道围岩位移量监测图，由图可以看出，9 m 煤柱的留设宽度能够保证巷道的正常掘进及工作面的回采安全。其中，巷道两帮位移量比顶底板偏大，煤柱帮位移量最大，最大位移量达到了211 mm，顶板下沉量最小，最大下沉量仅87 mm。巷道围岩位移量在前30 d 内变化较大。总的来说，巷道围岩位移量能够保证工作面的安全回采。

图8 所示为巷道围岩位移变化量曲线图，由图可以看出，巷道围岩位移变化率总的处于逐渐下降的状态，并且在前30 d 内下降速率最快，30 d 后，围岩变形整体变慢；60 d 以后，巷道围岩变形趋于稳定。

5 结 论

1）根据煤柱计算公式及矿方提供资料得到，在该工程背景下，煤柱的留设宽度至少为9 m 以上。

2）根据数值模拟得到当煤柱宽度为3 m 时，煤柱帮所受垂直应力峰值最小，随着煤柱宽度的增加，煤柱帮垂直应力峰值也随着增加，实煤体帮垂直应力峰值出现先增大后减小的情况。

3）当煤柱宽度为3 m 时，煤柱帮所受垂直应力最小，但宽度较小使得煤柱不能承受上覆岩层压力而变形较大，综合考虑下，9 m 留设宽度为最佳。