特厚煤层条件下沿空侧巷道护巷煤柱体宽度研究

李 政

(山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司，山西 晋城 048006)

煤炭资源采用井工开采，综采工作面接续开采时邻近工作面之间的区段保护煤柱体留设宽度合理性不仅关系到综采工作面沿空侧巷道围岩的稳定性，同时也关系到采区内工作面回采率的提升，是制约采区内工作面安全高效生产的关键因素[1-3].尤其在煤层厚度较大的情况下，区段煤柱留设过大，煤炭资源损失率严重。

1 工程地质概况

位于山西省晋城市的某矿隶属于晋能控股集团所有，该矿目前正在开采井田范围内的西翼采区，该采区内主采2#煤层厚度为8.5～10.6 m，平均厚度为9.1 m，采区内煤层倾角变化为5°～12°，平均倾角为8°，属于缓倾斜特厚煤层开采条件。2#煤层上方直接顶厚度为3.7～5.2 m，平均厚度为4.6 m，由泥岩和粉砂岩互掺组成；基本顶厚度为10.8～18.5 m，平均厚度为15.2 m，由细砂岩组成。2#煤层下方直接底厚度为1.6～3.2 m，平均厚度为2.4 m，由粉砂岩组成；基本底厚度为9.8～20.5 m，平均厚度为15.2 m，由中砂岩组成。西翼采区整体煤层标高为+425.4～+536.7 m，地面标高为+955.6～+1 098.3 m，平均埋深约为550 m.

该采区内工作面开采高度为3.5 m，放顶煤高度为5.6 m，采放比为1∶1.6.采区内1206工作面已经回采结束，1208工作面也处于回采后期阶段，由于1208工作面沿空侧巷道原有护巷煤柱宽度为25 m，在特厚煤层开采条件下遗留煤柱体损失资源严重，因此有必要针对后续1210接续工作面沿空侧的护巷煤柱体宽度进行优化研究。1210工作面布置平面情况见图1.

2 护巷煤柱体宽度模拟分析

2.1 数值模拟模型的建立

基于西翼采区所处的工程地质条件，采用FLAC2D数值软件建立二维平面应变模型，模型中各岩层选用摩尔-库伦本构模型，并基于现场煤岩体的力学特性对模型中的各岩层进行赋值，模型中各岩层的赋值力学参数见表1.

表1 煤岩体力学性能参数表

考虑到工作面沿倾向宽度为180 m以及模型边界效应情况，所建立的二维平面模型尺寸为宽300 m×高100 m.模型上表面距离地表的距离约为500 m，假设上覆岩层平均容重为2 500 kN/m3，因此在模型的上表面施加大小为12.5 MPa的等效载荷(模型上表面距离地表的距离×上覆岩层平均容重)代替覆岩的重力，同时对模型的两侧边界进行水平位移约束，模型的下边界采用固定约束。根据矿井地应力测试结果，对于模型的侧压系数取值为1.3，重力加速度设置为10.0 m/s2.模型中沿空侧巷道尺寸为宽4.2 m×高3.5 m，其与回采工作面之间的护巷煤柱体宽度即为该模型所研究的重点。

2.2 数值模拟分析

根据所建立的二维平面模型，首先对模型进行初始模拟运算至应力平衡状态；在此基础上对工作面位置进行回采开挖，并在回采后再次进行模拟运算至应力平衡状态；最后对于沿空侧巷道进行掘进开挖，并在开挖结束后再次进行模拟运算至应力平衡状态。整个模拟运算过程中，通过不断调整沿空侧护巷煤柱宽度，得到不同煤柱体宽度条件下其内部应力、位移的变化规律。

对于煤柱体宽度的假设，依次取值为5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m、20 m、25 m和30 m共计9种情况进行模拟(在此对于大于25 m的煤柱体也进行了模拟，使得模拟数据更加丰富)，并通过在煤柱体内设置监测点得到整个煤柱体内的应力、位移演化规律。

1)不同宽度煤柱体内垂直应力。

不同宽度煤柱体内的垂直应力模拟结果见图2.

由图2可知，随着煤柱体宽度值的增大，煤柱体内的垂直应力分布形式由一开始的单峰值应力曲线逐渐向双峰值应力曲线过渡。当煤柱体宽度值不大于11 m时，煤柱体内部的垂直应力呈单峰值应力曲线分布形式;当煤柱体宽度大于13 m时，煤柱体内部的垂直应力开始逐渐呈现出双峰值应力曲线分布形式。

图2 不同宽度煤柱体内垂直应力分布图

可见，在煤柱宽度较小为5 m和7 m时，煤柱体内的峰值应力小于原岩应力值12.5 MPa，这表明此时煤柱体在较高的支承应力作用下发生整体塑性变形，承载性能较差，稳定性不足于保护沿空巷道的正常生产需求。当煤柱体宽度为9 m和11 m时，煤柱体内部的垂直应力依旧呈单峰值应力曲线分布形式，但其峰值应力大于原岩应力值12.5 MPa，这表明此时煤柱体内存在一定范围的弹性区而能够承载较高的支承应力。在煤柱体宽度较大为13 m和15 m时，煤柱体内的双峰值应力远高于原岩应力值12.5 MPa，煤柱体将会承载较大的支承应力而导致应力环境较差，存在受采动扰动影响而失稳破坏的潜在危险性。随着煤柱体宽度的进一步增大，当煤柱体宽度不小于20 m时，煤柱体的双峰值应力也随着煤柱体宽度的增加而进一步减小，且较大的煤柱体宽度也保证了煤柱体内部有大范围的弹性区保持煤柱体的稳定性，进而对于沿空侧巷道能够起到很好的护巷效果。

综上分析可知，在煤柱体宽度取小煤柱(9 m、11 m)和大煤柱(20 m、25 m、30 m)时，均能够较好地起到对于沿空侧巷道的护巷效果，但是考虑到小煤柱护巷条件下能够开采更多煤炭资源，因此初步选定煤柱体宽度取值为9 m或者11 m.

2)不同宽度煤柱体内水平位移。

不同宽度煤柱体内的水平位移模拟结果见图3.

图3 不同宽度煤柱体内水平位移分布图

由图3可知，随着煤柱体宽度的增大，煤柱体内的最大水平位移量呈现出递减的趋势。对比基于垂直应力分析所选定的9 m和11 m两种煤柱宽度下其内部的最大水平位移量可知，当煤柱体宽度取值11 m时，其内部最大水平位移量为117.3 mm，而当煤柱体宽度取值9 m时，其内部最大水平位移量为146.1 mm，相差将近30 mm，可见选用宽度为11 m的煤柱体能够更好地对沿空侧巷道起到护巷效果。

3 现场工业性应用

3.1 电磁辐射监测

基于数值模拟从垂直应力和水平位移的角度分析可知，现场选用11 m的小煤柱进行沿空侧巷道的护巷最为合理。将数值模拟结果应用于1210工作面掘巷阶段，并对沿空侧1210轨道平巷护巷小煤柱体采用电磁辐射仪进行监测，监测方案见图4.

如图4所示，采用手持式KBD-5型电磁辐射仪对小煤柱侧围岩进行定点监测，其中每个测点的间距取值在10～20 m(在此取值为10 m)，每个测点至少监测3 min，监测结果见图5.

图4 电磁辐射监测方法图

对比图5中原有25 m宽煤柱体(1208工作面沿空侧巷道)和优化后的11 m宽小煤柱体(1210工作面沿空侧巷道)护巷期间的电磁辐射值可知，采用优化后的11 m宽小煤柱体后煤柱体内的电磁辐射值进一步减小，电磁辐射平均值由原来的45 mV降低至28 mV，降幅高达38%.考虑到电磁辐射值的大小与煤柱体内煤岩体所承载的应力大小呈正相关关系[4]，因此可以判定优化后的小煤柱体内煤岩体的应力环境要优于之前的大煤柱体，煤柱体稳定性较好。

图5 电磁辐射监测结果图

3.2 震动幅度监测

在现场布置2个拾震器(1#和2#拾震器，间隔200 m)分别对原有25 m宽煤柱体(1208工作面沿空侧巷道)和优化后的11 m宽小煤柱体(1210工作面沿空侧巷道)护巷期间的震动幅度进行监测，进而判定在采掘活动扰动影响下煤柱体的稳定性，具体监测结果见图6.

图6 震动幅度监测结果图

由图6可知，在采掘活动扰动作用下，无论是在原有25 m宽煤柱体护巷作用下还是在优化后的11 m宽小煤柱体护巷作用下，煤柱体受采掘作业扰动影响所产生的震动波的震幅谱具有较好的一致性，且最大震幅均不超过10 000 μm，煤柱体稳定性较好，能够满足工作面生产作业需要。因此,选用优化后的11 m宽小煤柱体护巷能够在采掘活动扰动作用下依旧保持较好的稳定性，起到对沿空侧巷道的保护效果。

3.3 掘进期间矿压监测

采用优化后的11 m宽小煤柱体护巷后，通过在1210轨道平巷内设置间隔20 m的3组测站对其巷道围岩收敛变形情况进行监测。测站内采用十字监测法进行观测[5]，通过在巷道围岩表面(顶板、底板、两帮)中点位置处各安装一个倒钉，并在一段时间内监测顶、底板倒钉相对移近量和两帮倒钉相对移近量，进而得到11 m宽小煤柱护巷条件下的巷道围岩收敛结果，见图7.

由图7b)可知，在监测时间不大于20 d时，随着监测时间的增加，巷道围岩顶、底板和两帮收敛量呈急剧增大趋势。当监测时间大于20 d后，巷道围岩顶、底板和两帮收敛量呈减缓趋势，并逐渐趋于稳定，说明在11 m宽小煤柱护巷条件下沿空侧巷道围岩变形量得到有效控制，最终巷道围岩顶、底板收敛量为129 mm，两帮收敛量为109 mm.相较于巷道断面尺寸宽4.2 m×高3.5 m可知，巷道围岩顶、底板收敛率仅为3.7%，两帮收敛率仅为2.6%，均控制在5%以内。可见巷道围岩变形控制效果良好，能够满足工作面正常生产需求。

图7 11 m宽小煤柱护巷矿压监测结果图

4 结 论

1)基于“内外应力场”理论分析得知，在内应力场的影响范围内留设小煤柱开采能够起到承载较低的侧向支承应力的效果，而在外应力场的影响范围内则需要留设大煤柱开采才能够起到承载较高的侧向支承应力的效果。从理论的角度验证了留设小煤柱护巷的可行性。

2)根据FLAC2D软件所建立的二维平面模型，对不同宽度煤柱体内垂直应力和水平位移进行了精细化模拟研究，最终确定选用宽度为11 m的煤柱体时能够较好地对沿空侧巷道起到护巷效果。

3)将数值模拟结果应用于1210工作面掘巷期间，并通过电磁辐射监测、震动幅度监测以及掘进期间矿压监测等多种监测方法，验证了数值模拟结果的合理性。