孤岛工作面沿空掘巷煤柱合理宽度探讨

赵振宇

（晋能控股煤业集团有限公司 山西 大同 037000）

0 引言

沿空掘巷指沿采空区边缘掘进的巷道，不仅能提高煤炭回采率，还使巷道处于低应力区，巷道围压小，易维护。为了孤岛工作面安全高效开采，合理确定留设煤柱宽度至关重要。近年来，不少科研学者也针对孤岛工作面留设的煤柱宽度开展了深入研究。赵宁[1-4]等采用数值计算分析，确定了合理的窄煤柱宽度为：软煤4 m～5 m，中硬煤3 m～4 m；姚博[5]构建了沿空掘巷力学模型，得出护巷窄煤柱合理宽度为4.46 m～7.3 m。8306工作面属于厚煤层顶板坚硬，采场上覆岩层活动剧烈、内部应力集中程度高、矿压显现程度大，针对8304工作面回采结束后，8306工作面面临孤岛工作面的问题分析煤柱合理留设宽度，对于确保作业面的安全开采具有重要意义。

1 工程概况

王坪煤矿现开采8#煤层，平均埋深275 m，平均厚度5.9 m，容重1.4 t/m3，倾角为2°～3°，硬度2，不含夹矸，煤层赋存稳定，整体构造简单，属于全区可采的稳定煤层。煤层直接顶为砂泥岩，老顶为砂岩，直接底为黏土泥岩，老底为高岭岩。

8306 工作面位于303 盘区的北部，工作面北部为已经回采的8308工作面，南部为待采的8304工作面，西部为303盘区回风巷、轨道巷和皮带巷，东部为小峪南石门大巷。采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法，顶板管理采用自然垮落法。

2 孤岛工作面沿空掘巷合理煤柱宽度

2.1 区段煤柱宽度的理论计算

煤柱在受到回采影响之后，是否稳定主要取决于煤体本身的极限支承压力和采动时所引起的支承压力，而对煤柱极限支撑力影响的最主要因素是煤柱宽度以及其高度与宽度之间的比例，巷道的围岩变形以及煤柱的可靠性也受其影响。煤体采出后，回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧都会产生各自的塑性变形区，但在煤柱中心仍保持弹性应力的平衡状态，煤柱保持稳定性的最小宽度：

式中：B为护巷煤柱宽度；x0为塑性区极限平衡宽度；x1为锚杆的有效锚固长度，取0.6 m；x2是设计安全系数对应宽度，其中x2=0.15～0.35(x0+x1)m。

基于极限平衡理论，通过充分考虑煤层赋存倾角和深度的影响，提出了煤柱塑性区宽度计算的力学模型，如图1所示。

图1 煤柱塑性区宽度计算力学模型

塑性区极限平衡宽度见式（2）。

式中：x0为塑性区极限平衡宽度，m；kd为煤矿开采扰动宽度系数；M为上区段巷道的平均高度；Px为窄煤柱所受到的采空区侧向应力；α为煤层倾角；σyl为煤柱的极限强度；β为屈服区与核区界面处的侧压系数，与泊松比取值相关为泊松比取值0.17；φ0为煤体摩擦角；C0为煤层接触面粘聚力；γ0为煤体平均体积力。

根据王坪煤矿8306 工作面具体地质赋存条件及经验参数，见表1，计算得出工作面煤柱塑性区宽度为1.32 m。

表1 8306工作面8#煤层力学特性参数

然后进一步代人公式（1），x1取0.6 m，x2=0.15～0.35(x0+x1)m=0.29～0.67(m)，可以得到8306工作面沿空掘巷护巷煤柱宽度为B≥2.21 m。

2.2 煤柱合理宽度数值模拟分析

针对该矿8#煤层开采的地质要求，采用FLAC3D数值软件构建了沿空掘巷计算模型。其模型尺寸500 m×216 m，共划分61 000 个网格，边界条件设置为：侧向限制水平移动，底部固定，顶部施加2.5 MPa的垂直应力，以模拟上覆岩层自重。沿作业面右侧煤层设置一条监测线用于监测侧向支承压力的大小，其边界条件及测线布置如下图2所示。

图2 煤柱塑性区宽度计算力学模型

数值计算首先对8308工作面进行回采，其回采稳定后的应力云图、塑性分布及侧向支承压力变化如下所示。

由图3图4可发现，模型计算平衡之后，在采空区两侧相应距离上发生了应力集中现象，并且在采空区边缘8 m～9 m 区域内还产生了塑性区，在此范围内的垂直应力要低于原岩应力。将巷道尽可能地布设在应力环境降低区范围内，将会有效改善巷道的应力环境。

图3 垂直应力分布云图

图4 塑性区范围分布图

由图5可看出，侧向支承压力在70 m后趋于稳定，低于此处的应力为应力降低区范围，高于此处的应力范围为应力升高区。因此，在8308工作面采空区稳定后所形成的应力降低区范围约为7 m。应力峰值出现在距采空区边缘约14 m 的位置，应力峰值大小约为22.0 MPa，应力集中系数为1.93。

图5 采空区稳定后侧向支承应力分布图

综上所述，沿空掘巷应布置在应力降低区或原岩应力区，但由于布设在原岩应力区段煤柱浪费较大，因此沿空掘巷应布置在距上区段采空区0 m～7 m区域。

3 合理煤柱宽度的确定

综合理论分析得出的王坪煤矿8306 孤岛工作面窄煤柱宽度2.21 m～2.59 m、数值计算得出的采空区稳定后应力降低区宽度为0 m～7 m，并考虑2306 巷设计宽度为5.5 m，为尽量使得沿空掘巷巷道处于应力降低区内，提高煤炭资源回收率，同时考虑到矿上的实际情况，最终确定8306孤岛工作面的最小煤柱宽度为3 m。

4 结语

通过采取理论计算和数值分析2种方法对孤岛工作面小煤柱留设参数的分析，结合巷道设计宽度及矿上实际情况，最终确定煤柱宽度为3 m。