综放工作面护巷煤柱的留设研究与控制技术

刘建军，张 焦，靖晓颖

(1.开滦能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

煤炭资源是我国工业化发展的资源基础，随着我国社会经济的发展，资源需求也随之日益增加，煤炭资源在我国能源体系中的地位至关重要[1-6]。针对综放工作面留设合理的护巷煤柱尺寸问题，许多学者进行了大量的研究。赵宾等[7]、王康等[8]研究了煤柱上方基本顶的断裂形式及多次采动的活动规律确定了煤柱的尺寸；宋志强[9]、石超弘等[10]研究了不同宽度护巷煤柱的应力变化规律以及破坏范围，最终确定综采工作面的护巷煤柱宽度；侯朝炯等[11]、柏建彪等[12]、梁家豪[13]、张博等[14]研究了巷道围岩的运动演化规律及巷道与二次采动之间的联系，并最终确定护巷煤柱的尺寸；孔令海等[15]在厚煤层中采用地震监测处理系统，依据监测系统的震荡运动趋势，分析岩层的运动规律并确定煤柱宽度；韩承强等[16]在煤柱内布置压力监测点，并进行钻孔窥视煤柱内的裂隙分布，最终设计了四种煤柱尺寸的方案；张广超等[17-18]研究关键层对巷道、煤柱的影响程度，分析主应力差及塑性区的分布规律，最终确定合理护巷煤柱宽度；张科学等[19]分析了采空区侧向的垂直应力与峰值的位置，并进行了理论计算与模拟，确定了合理的护巷煤柱尺寸，研究成果成功应用于矿山工作面中。

以上研究成果具有重要的指导意义，本文以串草圪旦煤矿为研究背景，串草圪旦煤矿的6102工作面煤层厚度较大，煤层平均厚度为12.9 m。针对煤层厚度较大、护巷煤柱过大等问题，运用理论分析、数值模拟与现场试验等方法确定合理的护巷煤柱宽度及支护参数。

1 工程概况

串草圪旦煤矿的地形总体呈西北高、东南低的趋势，地表标高在950～1 150 m之间，煤层平均埋深150 m。6102工作面位于一水平一带区6煤层，6102工作面往东无采掘工程，往西为6103采空区，往南无工程。6102工作面的煤层厚度在10.80～15.70 m之间，平均煤层厚度为12.90 m。 老顶为浅灰色细砂岩，厚度为18.31 m，直接顶为褐灰色粉砂岩，厚度为3.30 m，直接底为褐灰色粉砂岩，厚度为4.86 m，老底为灰色粗砂岩，厚度为8.80 m。 工作面走向长2 055 m，倾斜长134 m。 6102工作面的轨道巷道和辅运巷道沿煤层底板布置，巷道断面尺寸为5.0 m×3.6 m，计划留设的护巷煤柱宽度为18 m。6102工作面布置图如图1所示，力学参数见表1。

图1 工作面布置图Fig.1 Layout of working face

表1 6102工作面岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock massin 6102 working face

2 护巷煤柱的稳定性分析

综放工作面的护巷煤柱主要受2个相邻工作面的采动影响，护巷煤柱在留设初期主要受上一个采空区形成的侧向应力影响(图2)。上区段工作面的回采使得实体煤柱侧产生塑性区，在上区段采空区稳定后，由于布置沿空巷道而对围岩造成再次破坏，使得煤柱边缘侧的塑性区范围再一次扩大，煤柱弹塑性区的分布形式为两侧塑性区，中间弹性区。

图2 煤柱弹塑性区及应力分布图Fig.2 Elastic plastic zone and stress distributiondiagram of coal pillar

煤柱保持稳定的宽度计算公式见式(1)。

B=x0+x2+x1

(1)

式中：B为煤柱宽度，m；x2为煤柱弹性核宽度，m；x0为极限平衡宽度，m；x1为采准巷道在煤柱侧形成的塑性区宽度，m。

(2)

式中：K为应力集中系数，K=2.4；φ为煤层内摩擦角，φ=29°；A为测压系数，A=0.29；C为内聚力，C=1.2 MPa；Px为支护强度，Px=0；M为煤层厚度，M=12.9 m；H为埋深，H=150 m。

根据上述公式计算可以得出x0=5.54 m。取煤柱两侧塑性区宽度x0=x1，x2按照工作面端头采高取值为3.86 m，理论计算煤柱合理宽度B为14.68 m。

3 合理煤柱宽度数值模拟

3.1 模拟方案

基于串草圪旦煤矿的地质条件，合并岩性相近的岩层，采用FLAC3D数值模拟软件针对串草圪旦煤矿的6102工作面和6103工作面进行模拟，模型尺寸长×宽×高=400 m×150 m×70 m，如图3所示。模型四周边界施加水平约束力，下部边界固定，采用Mohr-Coulomb屈服准则，上边界施加载荷为2.11 MPa用以模拟上覆岩重。依据式(1)和式(2)的计算结果，设计6102工作面的护巷煤柱宽度分别为13 m、14 m、15 m和18 m。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 上区段采空区侧向应力及塑性区分布规律

3.2.1 上区段采空区侧向应力分布

6103工作面回采完毕后，其侧向应力分布如图4所示。由图4可知，6103工作面采空区的侧向应力分布为高位应力场、低位应力场形式，低位应力场分布在6103工作面采空区附近，而高位应力场分布在煤层厚度的中上部位置。低位应力场的峰值应力为7.68 MPa，距6103工作面采空区帮部2.0 m；高位应力场的峰值应力为7.65 MPa，距6103工作面采空区帮部4.8 m。

图4 6103工作面采空区侧向应力分布Fig.4 Lateral stress distribution in goafof 6103 working face

3.2.2 上区段采空区侧向塑性区分布

6103工作面回采后，其侧向塑性区分布如图5所示。由图5可知，在6103采空区的侧向实体区域，塑性区距采空区侧向煤壁的距离为2～5 m。

图5 6103工作面采空区侧向煤壁塑性区分布Fig.5 Distribution of lateral coal wall plastic zonein goaf of 6103 working face

3.3 接续工作面巷道掘巷期间围岩稳定性规律

3.3.1 巷道掘进期间围岩应力分布规律

辅运巷道掘进期间，护巷煤柱宽度分别为13 m、14 m、15 m和18 m时，6102工作面的煤柱应力分布如图6所示。由图6可知，随着护巷煤柱宽度的增大，6103工作面采空区侧的低位应力场的峰值应力由7.80 MPa降至7.58 MPa，应力峰值位置保持在距6103工作面采空区侧向煤壁2.0 m左右的位置；6102工作面辅运巷道侧的峰值应力由7.63 MPa降至6.84 MPa，应力峰值位置由距6102工作面辅运巷道帮部2.0 m左右的位置降至1.5 m左右的位置。

图6 不同宽度护巷煤柱应力分布Fig.6 Stress distribution of coal pillars in roadway protection with different widths

不同煤柱宽度条件下，煤柱内的垂直应力分布规律如图7所示。由图7可知，随着护巷煤柱宽度的增大，6103工作面采空区侧的应力分布基本无明显变化，而6102工作面辅运巷道侧的应力分布呈降低趋势。护巷煤柱宽度为13 m时，煤柱中部应力发生叠加，在高应力作用下，煤柱稳定性较差。随着护巷煤柱宽度大于13 m，煤柱中部应力叠加现象为降低趋势，可以增强护巷煤柱的稳定性，说明护巷煤柱内的弹性核宽度增大。

图7 不同护巷煤柱宽度内垂直应力分布规律Fig.7 Vertical stress distribution law of coal pillarsin roadway protection with different widths

3.3.2 巷道掘进期间围岩塑性区分布规律

留设护巷煤柱的宽度分别为13 m、14 m、15 m、和18 m时，护巷煤柱内的弹性区和塑性区分布如图8所示。由图8可知，当煤柱宽度分别为13 m、14 m、15 m和18 m时，煤柱两侧的平均塑性区宽度之和分别为7.5 m、7.0 m、6.5 m和6.5 m，煤柱的弹性核宽度分别为5.5 m、7.0 m、8.5 m和11.5 m。当护巷煤柱宽度大于15 m时，护巷煤柱宽度的增大对于煤柱两侧塑性区的宽度并没有影响，此时煤柱宽度的增大只是增大了弹性核的宽度，虽然有利于护巷煤柱的稳定性，但却增大了煤炭资源的损失。

图8 不同护巷煤柱宽度的塑性区分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal pillars in roadway protection with different widths

3.4 工作面回采期间的围岩稳定性

3.4.1 工作面回采期间的应力分布规律

在6102工作面回采过程中，受到工作面采动影响，护巷煤柱受力状态会发生明显变化。在不同宽度的护巷煤柱条件下，6102工作面回采过程中，回采工作面前方0 m处的护巷煤柱的应力分布特征如图9所示。由图9可知，随着护巷煤柱宽度的增大，在回采工作面前方0 m处，6103工作面采空区侧的峰值应力由8.9 MPa降至8.6 MPa，应力峰值位置保持在距6103工作面采空区侧向煤壁1.5 m左右的位置；6102工作面侧的峰值应力由10.10 MPa降至8.68 MPa，应力峰值位置由距6102工作面辅运巷道帮部2.5 m左右的位置降至2.0 m左右的位置。

图9 6102工作面回采前方0 m处应力云图Fig.9 Stress nephogram at 0 m in front of mining in 6102 working face

在回采期间，护巷煤柱内的垂直应力分布规律如图10所示。由图10可知，随着护巷煤柱宽度的增大，护巷煤柱中部的应力集中程度呈降低趋势；在上区段6103工作面采空区侧，护巷煤柱的应力分布无明显变化；在接续工作面侧，护巷煤柱的应力分布呈下降趋势；接续工作面侧的峰值应力大于上区段6103工作面采空区侧的峰值应力。

图10 回采工作面附近护巷煤柱应力分布Fig.10 Stress distribution of section coal pillarsin roadway protection near working face

3.4.2 工作面回采期间的塑性区分布规律

护巷煤柱受6102工作面的采动影响，因此分析6102工作面回采期间对护巷煤柱的塑性区分布的影响。图11为6102工作面回采期间，工作面附近不同宽度的护巷煤柱的塑性区分布图。由图11可知，接续工作面回采期间，当护巷煤柱宽度为13 m时，回采工作面处的护巷煤柱内塑性区已贯通；当护巷煤柱宽度分别为14 m、15 m、18 m时，护巷煤柱中的弹性核宽度分别为2.5 m、4.5 m和10.5 m。

图11 工作面附近不同护巷煤柱宽度的塑性区分布Fig.11 Plastic zones distribution of coal pillars in roadway protection with different widths near the working face

3.5 护巷煤柱合理宽度的确定

理论和实践结果表明，护巷煤柱合理宽度确定应满足以下原则：①留设煤柱的位置应尽可能处在应力较低的区域，避免高应力破坏煤柱的完整性；②留设的煤柱应能承受多次采动影响，避免发生采空区漏风自然发火、瓦斯爆炸等次生灾害；③应尽可能减少煤炭资源浪费，提高煤炭资源采出率。

综上所述，串草圪旦煤矿计划留设的护巷煤柱宽度为18 m时，护巷煤柱稳定，但增加了煤炭的损失；留设护巷煤柱宽度为13 m时，护巷煤柱宽度过短，在接续工作面采动影响下，护巷煤柱内的塑性区贯通；留设的护巷煤柱宽度在14～18 m之间时，回采工作面附近的护巷煤柱内存在弹性区，因此合理的留护巷煤柱宽度为14 m。

4 巷道围岩控制技术

4.1 巷道支护参数

辅运巷道的顶板采用Ø22 mm×2 200 mm的左旋高强螺纹钢锚杆，间距×排距为1 100 mm×1 000 mm，每排5根；顶板选用长度为8.3 m，直径为17.8 mm的7股高强度低松弛钢绞线锚索，间距、排距为1 800 mm×2 000 mm，每排两根；巷道两帮采用Ø20 mm×2 000 mm的右旋等强金属锚杆，两帮每排各3根，间距、排距为1 200 mm×1 000 mm，巷道支护布置如图12所示。

图12 支护参数断面图Fig.12 Cross section of support parameters

4.2 巷道支护控制实践

6102工作面回采期间，监测工作面前方的辅运巷道的变形量。当工作面自开切眼推进150 m时，对工作面前方的辅运巷道表面变形进行测量。巷道的测量范围为自工作面至前方100 m处，巷道每隔5 m进行一次变形测量。辅运巷道的围岩变形量如图13所示。由图13可知，在工作面的采动影响下，附近的6102工作面辅运巷道的顶板下沉量为68.8 mm，底板鼓起量为35.4 mm，煤柱侧的移近量为88.6 mm，工作面回采侧的移近量为56.4 mm。工作面的超前影响范围在40 m左右。因此，现场监测表明，6102辅运巷道留设14 m煤柱及采取的支护技术是合理有效的。

图13 工作面前100 m范围运输巷道围岩变形量Fig.13 Surrounding rock deformation of transportationroadway within 100 m range in front of working face

5 结 论

1) 掘巷期间，随着护巷煤柱宽度的增大，6103工作面采空区侧的应力分布基本无明显变化，而6102工作面辅运巷道侧的应力分布为降低趋势，煤柱中部应力叠加现象为降低趋势，可以保持护巷煤柱的稳定性。

2) 掘巷期间，当护巷煤柱宽度大于15 m时，护巷煤柱两侧的塑性区范围基本无明显变化，护巷煤柱内的弹性区宽度随着护巷煤柱宽度的增大而增大。

3) 回采期间，留设护巷煤柱宽度为13 m时，护巷煤柱宽度过短，在接续工作面采动影响下，护巷煤柱内的塑性区贯通；留设的护巷煤柱宽度在14～18 m之间时，回采工作面附近的护巷煤柱存在弹性区，综合考虑，合理的护巷区段煤柱的宽度为14 m。

4) 现场实践证明巷道围岩得到了很好的控制。