动压影响巷道护巷煤柱宽度优化技术研究

宋志清

（山西襄垣七一新发煤业有限公司，山西 长治 046200）

0 引言

回采巷道的掘进支护在煤矿开采中是关键一环，确定合理的煤柱宽度对回采巷道的支护、安全快速生产、经济效益等都有着很大的关系，如果煤柱宽度未达到护巷要求，在回采时会发生冒顶、片帮等安全事故，严重影响矿井生产。因此，寻找合适的煤柱宽度是非常重要的。刘金海[1]等采用微震监测、理论计算和数值模拟等方法，确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m，综合确定煤柱宽度为5～7.2 m，应用沿空巷道表面位移观测验证煤柱宽度合理性；高新刚[2]等运用室内实验、数值模拟和现场实测三者结合，以常村煤矿为对象，探明了不同宽度护巷煤柱下采空侧巷道围岩变形破坏特征及侧向支承压力分布规律；奚家米[3]等采用现场煤体应力测试、巷道围岩变形测试和数值模拟结合确定煤柱尺寸，确定了该沿空掘巷煤柱留设的合理尺寸为10～12 m。李臣[6]等针对内蒙鄂尔多斯东胜煤田的地质条件进行煤柱尺寸合理优化，采用VB 和FLAC3D 等软件对东胜煤田双回撤通道煤柱尺寸进行理论计算和数值模拟，得出主辅回撤通道间合理煤柱尺寸为20 m，保证了回撤工程顺利；余学义[7]等在现场实测钻孔探究煤体应力的基础上，借助数值模拟对煤柱尺寸进行优化，确定亭南矿大采高双巷布置工作面巷间煤柱合理尺寸为10 m；陈川等[8]通过数值模拟以及现场实测等方法，以芦沟煤矿32081 工作面为工程背景，研究松软煤层托顶煤巷道煤柱宽度，指出6 m 煤柱宽度围岩变形最为理想；田建设等[9]通过理论分析、数值模拟等方法，以园子沟煤矿1022101 工作面为工程背景，确定了深部高应力双巷布置工作面煤柱宽度，指出煤柱宽度为13～15 m 时较为合理；张杰等[10]通过理论分析、数值模拟等方法，以南梁煤矿孤岛工作面区段煤柱为工程背景，指出浅埋煤层孤岛工作面区段煤柱宽度为12 m 时较为合理；郭强等[11]通过理论分析和数值模拟等方法，以单侯矿1105N 工作面为工程背景，确定了双巷布置工作面区段煤柱的合理宽度；赵铁林[12]为研究特厚煤层综放沿空掘巷煤柱尺寸，通过理论分析、数值模拟等方法，以东周窑煤矿8205 工作面为工程背景，确定了特厚煤层综放开采沿空掘巷煤柱宽度为6 m 时可以有效控制巷道围岩变形。

七一煤业为保证3005 工作面顺槽掘进和围岩控制不受附近顶板支承压力的影响，保证生产安全进行，通过数值模拟对该矿3005 回采工作面运输顺槽与北翼皮带巷之间的煤柱尺寸进行研究。

1 概况

3005 工作面位于三采区西部，所采煤层为山西组3 号煤层，煤层结构简单，黑色，条带状结构，煤层厚度为5.1～5.8 m，平均厚度为5.2 m，距底板1.5 m 左右有一层夹矸，平均厚度为0.2 m，岩性为炭质泥岩。3 号煤层直接顶板为砂质泥岩、粉砂岩、局部细粒砂岩，平均厚度3.17 m。底板主要为泥岩、砂质泥岩中细粒砂岩，平均厚度2.90 m。3005 工作面为3003 接替工作面，运输顺槽设计长度860 m，断面为宽4.5 m，高2.65 m，断面积11.925 m2，采用锚网索联合支护。3005 工作面运输顺槽与北翼胶带巷间留有最小50 m、最大88 m 宽的煤柱布置，沿3 号煤层底板掘进，通过工作面转载联巷与北翼胶带巷连接。

2 煤柱尺寸数值模拟研究

2.1 模型确立

3005 采区煤厚度约为5.4 m，3005 运输顺槽沿煤层底板掘进，巷道形状为梯形，巷道顶板宽度3.2 m、底板宽度4.4 m，巷道高度2.65 m。巷道基本沿煤层走向布置，煤、岩层坡度较平缓，近似水平。

模拟埋深约400 m，煤层上部顶板为2 m 的页岩，直接顶为6.5 m 砂岩；煤层下部底板主要有砂岩和炭质页岩等组成，模型尺寸为长×宽×高=480 m×200 m×90 m，模型4 个侧面为水平移动边界，底部为固定边界，模型共划分545 920 个单元和572 852 个节点。其中采空区模拟尺寸长×宽×高=50 m×200 m×5.4 m；巷道右侧有50 m边界。

由于巷道是深埋巷道，模型上方施加10 MPa的地层压力，设定侧压系数λ=1.5，左右两边界同样施加15 MPa 侧向压力，模型底边界采用零位移边界条件。为了简化计算，每层岩层取主要岩石岩性，高于0.3 m 的岩层都归属于厚的岩层，岩石物理力学参数取实验室参数的1/3。

2.2 模拟内容

为了研究分析3005 工作面回采对北翼皮带巷围岩稳定性的影响，分别模拟了3005 回采作面运输顺槽与北翼皮带巷之间的煤柱尺寸在30、35、40、45、50、55 m 的情况下，北翼皮带巷弹塑性区、巷道顶板下沉量、底鼓量以及两帮移近量的变化趋势。

2.2.1 不同煤柱尺寸下北翼皮带巷垂直位移分析

不同煤柱尺寸条件下，3005 工作面回采前后，北翼皮带巷围岩变形量及变形速度，如图1～图3所示。

图1 顶板下沉量Fig.1 Roof falling capacity

图2 底鼓量Fig.2 Floor heave amount

图3 顶底板位移速度Fig.3 Displacement velocity of roof and floor

（1） 9 步时之前为3005 工作面未回采前，此时皮带巷顶板下沉量基本一致，约130 mm；9 步时之后即工作面回采后，煤柱30、35、40、45、50、55 m 时，巷道顶板下沉量基本上都在35 步时达到了平衡，位移量分别是446、350、300、247、198、162 mm。可以看出当煤柱大于50 m 后，顶板下沉量明显减小。

（2） 9 步时之前为3005 工作面未回采前，此时皮带巷底鼓量基本一致，约360 mm；在9 步时之后即工作面回采后，煤柱30、35、40、45、50、55 m 时，巷道底鼓量基本上都在20 步时达到平衡，位移量分别是546、512、488、468、418、407 mm。可以看出当煤柱大于50 m 时，底鼓量明显减小。

（3） 9 步时之前为3005 工作面未回采前，此时皮带巷顶底板移近速度基本一致，速度先增大后减小，最大可达78 mm/步时，在9 步时之后即工作面回采后，煤柱30、35、40、45、50、55 m 时，巷道顶底板的变形基本上都在12～30 步时达到了匀速变形平衡，位移量分别是16、21、19、26、7、8 mm/步时。可以看出当煤柱大于50 m 时，顶底板移近速度明显减小，最终在26 时步之后达到了平衡。

2.2.2 不同煤柱尺寸下北翼皮带巷水平位移分析

不同煤柱尺寸条件下，3005 工作面回采前后，北翼皮带巷围岩水平位移如图4～图6所示，9 步时之前为工作面未回采时，9 步时之后为工作面回采后。

图4 左帮位移量Fig.4 Displacement of left side

图5 右帮位移量Fig.5 Displacement of right side

图6 两帮移近速度Fig.6 Approaching speed of two sides

（1） 工作面未回采时，皮带巷左帮位移量基本一致，约210 mm，工作面回采后，在煤柱30、35、40、45、50、55 m 时，巷道左帮变形基本上都在35 步时达到了平衡，位移量分别是340、335、320、333、320、270 mm。可以看出当煤柱大于55 m 时，左帮位移量明显减小。

（2） 工作面未回采时，皮带巷左帮的位移量基本一致，约240 mm，工作面回采后，在煤柱30、35、40、45、50、55m 时，巷道右帮的变形基本上都在25 步时达到了平衡，位移量分别是446、425、388、408、351、351 mm。可以看出当煤柱大于50 m 时，右帮的位移量明显减小。

（3） 工作面未回采时，皮带巷两帮移近量基本一致，速度先增大后减小，最大可达76 mm/步时，工作面回采后，在煤柱30、35、40、45、50、55 m 时，巷道右帮的变形基本上都在12～30 步时达到匀速变形平衡，位移量分别是16、21、19、26、7、8 mm/ 步时。可以看出当煤柱大于50 m时，两帮移近速度明显减小，最终在32 时步之后均达到了平衡。

2.3 模拟结果

结合煤柱尺寸理论分析结果可知，七一新发煤业3005 工作面运输顺槽与北翼皮带巷之间留设的煤柱宽度不得小于40 m；综合不同煤柱尺寸条件下，北翼皮带巷的垂直位移和水平位移的数值模拟结果，煤柱尺寸小于50 m 时，北翼皮带巷受3005工作面的采动影响较为明显；煤柱尺寸大于50 m后，3005 工作面开采对北翼皮带巷围岩稳定性影响较小；结合已有的类似地质条件下护巷煤柱尺寸的研究结果，厚煤层护巷煤柱尺寸普遍大于25 m，有些情况下甚至达到了60 m 以上。为确保北翼皮带巷在服务期内能尽量少修或者不修，综合考虑后确定3005 工作面运输顺槽与北翼皮带巷之间煤柱净尺寸不得小于50 m。

3 工业性试验

为验证煤柱宽度的合理性，在北翼皮带巷与3005 工作面运输顺槽最近的地方设置了一个巷道围岩监测测站，对巷道围岩收敛进行监测，图7为测站顶、底板及两帮围岩移近量随时间变形量趋势图。

图7 测站巷道表面位移变化Fig.7 Displacement change of station roadway surface

由图7可知，在工作面回采后的14 d 内，巷道两帮、顶底板围岩变形速率处于最大值，平均变形速率分别为14.35 mm/d 和13.31 mm/d；14 d之后，巷道变形持续增加，但整体变形速率变缓。在32 d 左右巷道变形处于稳定状态，巷帮围岩变形比顶底板变形幅度大，且顶底板变形稍微滞后于两帮变形，顶、底板移近量稳定在215.5 mm，两帮收敛量稳定在281.7 mm，围岩变化趋于稳定，可见确定的护巷煤柱宽度保证了北翼皮带巷的稳定。

4 结论

（1） 临近工作面回采对现有巷道围岩稳定性的影响程度，直接取决于两者之间煤柱尺寸的大小。采用数值模拟方法研究了北翼皮带巷与3005工作面运输顺槽之间的煤柱宽度尺寸，确定两者之间煤柱宽度至少为50 m。

（2） 现场工业性试验证明，确定的北翼皮带巷最佳护巷煤柱宽度50 m，保证了北翼皮带巷在3005 工作面回采期间的稳定，验证煤柱尺寸的合理性。