西掌矿15103回风巷迎采掘巷合理煤柱宽度研究

徐海芸，赵 凯，张彦奇

(山西长治联盛煤业投资有限公司，山西 长治 047100)

沿空掘巷技术在我国得到了广泛的应用，对于顺序开采接续的生产矿井，在上区段工作面开采时就迎着采动方向掘巷，称之为迎采对掘[1-2]。迎采对掘巷道在动压的影响下容易产生大变形，因此选取合理的煤柱宽度使巷道避开支承应力峰值区，对增加围岩稳定性具有重要意义。

在迎采动掘巷围岩稳定控制方面，大量的学者开展了研究。陈晓祥等[3]对迎采动掘巷期间的围岩变形和支护技术进行研究，提出采用5 m窄煤柱护巷及优化支护参数，能够有效控制巷道围岩变形。袁振华[4]对迎采动掘巷围岩应力分布特征及控制技术进行研究，得出采用8 m宽煤柱并辅以“锚网索+单体液压支柱+π型梁”联合支护措施，能够保证巷道的稳定性。王洁[5]以肖家洼煤矿为工程背景，研究了迎采掘巷合理煤柱宽度和掘巷时机。李伟[6]采用理论计算和数值模拟的方法，分析了大采高工作面沿空掘巷煤柱的稳定性。

基于学者针对沿空掘巷的大量研究，采用理论分析和数值模拟的方法研究西掌煤矿迎采动掘巷的合理煤柱宽度，为相似条件矿井迎采对掘煤柱留设提供了借鉴。

1 工程背景

1.1 地质条件

西掌煤矿主采15号煤层，为简单结构近水平煤层，平均煤厚3.71 m，埋深约为174 m，煤层直接顶为炭质泥岩(0.9～1.32 m)，老顶为K2石灰岩(8.72 m)，直接底为砂质泥岩(2.7 m)，老底为细砂岩(4.01 m)。目前正开采15102工作面，采用综采一次采全高采煤方法，工作面宽度为160 m，推进长度约1 250 m，工作面平面布置图如图1所示。15103工作面作为接替工作面，正在掘进15103回风巷，巷道沿煤层顶底板掘进，巷道宽4.5 m，高4.0 m。

图1 15102工作面采掘平面图

1.2 迎采对掘巷道变形特征

西掌煤矿在早期开采15101工作面时，15102回风巷也为迎采动掘巷，区段煤柱留设宽度为15 m(图1)。15102回风巷在掘巷期间就发生大变形，巷道顶底板移近量最大1.8 m，两帮移近量最大2.5 m，导致15102工作面通风和行人困难，影响采掘接替，如图2所示。

图2 迎采对掘巷道大变形

分析造成15102回风巷大变形的主要原因是区段煤柱宽度留设不合理，导致巷道处在15101工作面的侧向支承应力峰值区域，覆岩大结构形成的高应力环境造成15102回风巷支护困难。因此，为防止接替工作面发生类似的情况，在回采15102工作面时掘进15103回风巷需要留设合理的煤柱宽度，达到优化应力环境、控制巷道大变形的目的。

2 迎采动掘巷煤柱宽度理论计算

迎采动掘巷留设的煤柱宽度太小，则巷道开掘以后煤柱在采动和掘进双重影响下容易发生破碎，支护的锚杆在破碎煤体中锚固力下降，减弱了锚杆的支护效果。因此根据理论计算[7]，合理的窄煤柱宽度B的计算如图3所示。

图3 合理沿空掘巷煤柱宽度计算

计算公式为：

B=x1+x2+x3

(1)

式中：x1为由于上区段工作面采动煤柱帮形成的破碎区范围，其值可通过公式(2)计算。

(2)

式中：M为煤层采厚，m；A为侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比；φ0为煤层界面的内摩擦角，°；C0为煤层界面的内聚力，MPa；k为应力集中系数；γ为岩层容重，kN/m3；H为巷道埋深，m；Px为对煤帮的支护阻力；x2为巷道窄煤柱帮锚杆有效长度，再乘以0.15的安全系数，m；x3为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，按0.2(x1+x2)计算。

鉴于西掌煤矿15103工作面回风巷地质条件，代入公式(2)计算。其中：M=4.5 m，A=0.4，φ0=30°，k=2.2，γ=25 kN/m3，H=170 m，C0=2.0 MPa，Px=0.1。求得煤柱合理宽度B=5.2 m。该计算结果仅是从煤柱破坏特征出发，仍需采用数值模拟方法来分析不同煤柱宽度条件下巷道围岩变形特征。

3 迎采动掘巷煤柱宽度数值模拟分析

3.1 数值模型建立

利用UDEC模拟软件，分析15103回风巷在不同煤柱宽度下，侧向支承应力、煤柱内应力和围岩变形规律，确定合理的区段煤柱的宽度，为15103回风巷围岩控制提供依据。结合15103回风巷特定的生产地质条件建立数值计算模型，如图4所示。模型尺寸为200 m×33.4 m(长×高)。将模型左、右及底部边界固定，根据巷道埋深170 m，在模型顶边界施加3.5 MPa的均布载荷，侧压系数取1.0。巷道断面大小为4 m×4.5 m(长×宽)，分别分析在3 m、5 m、8 m及15 m煤柱宽度下巷道围岩变形特征。

图4 数值模型图

3.2 侧向支承应力演化规律

15102工作面侧向支承应力分布特征如图5所示。15102工作面回采结束后，采空区侧煤体内垂直应力从0.6 MPa增加到9.5 MPa，随后又降低至原岩应力4.25 MPa。峰值出现在距离采空区15 m处，峰值大小为9.5 MPa；在距离采空区5 m范围煤体内垂直应力有所下降，应力为3.5 MPa；在距离采空区23 m处，煤体内垂直应力降至原岩应力，应力为4.25 MPa。因此，留设煤柱宽度15 m时巷道处在支承应力峰值区，容易产生大变形。

图5 采空区侧煤体垂直应力分布

3.3 煤柱内应力分布规律

模拟得到15103回风巷不同宽度煤柱掘进时的内应力变化曲线，如图6所示。煤柱内垂直应力随着煤柱宽度的增加而逐渐增大。煤柱宽度3 m时，煤柱整体出现了塑性破坏，该条件下应力峰值(3.5 MPa)小于原岩应力值，煤柱承载能力丧失；煤柱宽度5 m时，煤柱内应力峰值(8.5 MPa)大于原岩应力值，表明煤柱具有一定的承载能力；煤柱宽度8 m时，煤柱内应力呈单峰状，应力峰值(12 MPa)大于原岩应力值，峰值位于巷道前方6.2 m位置。煤柱宽度15 m时，煤柱内应力呈单峰曲线峰值为16 MPa，其峰值出现在巷道6 m处。

图6 煤柱内垂直应力分布曲线图

3.4 巷道围岩变形特征

模拟得到15103回风巷不同宽度煤柱下的围岩变形特征，如图7所示。煤柱变形量随着煤柱宽度的增加呈现“减小—增大”的特征。煤柱宽度为3 m时，煤柱整体破坏较为严重，巷道实煤体最大变形量超过600 mm，采空区侧煤柱最大变形量约为400 mm；煤柱宽度为5 m时，巷道实煤体帮、煤柱帮变形量分别为190 mm、230 mm；煤柱宽度为8 m时，巷道实煤体帮、煤柱帮变形量分别为210 mm、480 mm；煤柱宽度为15 m时，巷道实煤体帮、煤柱帮变形量分别为350 mm、620 mm。

图7 不同宽度煤柱围岩变形曲线图

根据上述对煤柱宽度的研究，可知煤柱宽度为5～8 m是15103回风巷迎采掘巷的合理煤柱宽度。考虑到回采过程中受超前支承压力影响，以及15103工作面的液压支架布置数量等实际问题，为增大掘进及回采过程中巷道的安全系数，最终确定15103回风巷的护巷煤柱宽度为7 m。

4 现场应用

15103回风巷留设7 m煤柱迎采动掘进过程中的围岩变形量，如图8所示。

图8 15103回风巷围岩变形

由图8可知，巷道的变形量主要在距离迎头100 m范围内产生，顶底板移近量最大为208 mm，两帮移近量最大为282 mm，相比于留设15 m煤柱降低了88%，验证了理论分析和数值模拟的合理性。

5 结 语

1) 西掌煤矿迎采掘巷留设15 m煤柱时，巷道顶底板及两帮移近量最大值分别为1.8 m、2.5 m，煤柱宽度不合理是引发大变形的主要原因。

2) 理论计算结合数值模拟研究表明合理的迎采动掘巷煤柱宽度应在5～8 m范围，最终确定15103回风巷迎采掘巷的煤柱宽度为7 m。

3) 15103回风巷留设7 m煤柱迎采动掘巷，顶底板移近量最大为208 mm，两帮移近量最大为282 mm，相比于留设15 m煤柱降低了88%，有效控制动了压巷道的大变形。