薛虎沟矿综放工作面沿空留巷煤柱合理宽度研究

李智祥

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，山西 临汾 041000）

引言

煤炭资源是我国主要的化石能源，其储量十分丰富，随着近年来我国煤炭产业的不断发展，煤炭资源的需求量日益增加，随着我国提出绿色能源口号，我国开始大力发展水能、太阳能、风能等行业，但由于我国处于发展阶段，煤炭作为工业发展的支撑无法彻底摒弃，所以目前煤炭仍然在我国能源消耗中占具主导地位，煤炭资源在一次能源生产占比76%，在能源消耗占比也超过69%。在矿井开采过程中，为保证工作面相邻开采不受影响。巷道通常设置护巷煤柱。随着开采深度的不断增加，护巷煤柱的留设宽度也随之增加，这样不仅造成了资源浪费，同时限制着煤企的高效发展[1-2]。在此背景下，沿空掘巷留窄煤柱开采技术得到广泛应用，通过留设护巷煤柱从而保证巷道的稳定性，达到稳定高效开采目的[3-4]。目前我国的煤柱留设宽度研究多针对特定矿山，无法广泛得到应用，所以本文以薛虎沟矿2-111 工作面为工程背景，利用数值模拟软件，对沿空留巷留设煤柱合理宽度进行一定的研究，为矿井降本增效提供一定的参考。

1 模型建立

薛虎沟矿位于山西省河津市下化乡陈家岭村北，年产90 万t，主要开采煤层为2#、10#煤层，该矿开拓方式为斜井、立井联合开拓。2-112 工作面位于矿井二采区左翼，该工作面为南五采区的第3 个工作面，主采煤层为2#煤层，厚度约为2.08 m，煤层呈现单斜构造，2-111 工作面位于二采区西翼，地面标高+2 183 m～+2 222 m，工作面埋深147 m～262 m，北部2-112 工作面已经回采稳定，工作面南部未采动，目前主采5#煤层，煤层厚度为5.53 m～6.83m，平均厚度为6.1 m，煤层呈现单斜构造，煤层向南倾斜，倾角44°，产状较稳定。目前沿2-112 工作面采空区掘进2-111 工作面回风巷，巷道断面形状为梯形。由于2-111 工作面回风巷掘进过程中留设煤柱宽度不合理，使得巷道受上工作面采空区的残余支承压力和巷道掘进期间的采动影响，使得巷道围岩变形较大，发生多次垮冒。因此本文对不同煤柱宽度下巷道围岩的稳定性进行研究，确定煤柱留设最佳宽度。

为了对沿空巷道围岩稳定性进行更好的分析，通过数值模拟进行软件，本文采用FLAC3D 数值模拟软件，对模型进行建立，模型尺寸（长×宽×高）设定为170 m×60 m×172 m，对模型进行网格划分，在进行网格划分时将巷道周边围岩进行细化分，在原理巷道周边围岩进行粗划分，以此来保证精度的同时降低模拟的计算时间，经过划分模型的单元总数为316800，模型的节点总数为386353。对模型的进行边界约束设定，在模型下及前后左右边界进行固定约束设定，避免模型出现垂直及水平方向的位移，在模型的上表面根据覆岩自重计算后对模型上端施加均布荷载4 MPa，对模型进行物理参数设定，物理参数设定参照岩层属性进行，模型采用摩尔库伦屈服准则。完成模型的建立，模型示意图，如图1 所示。

图1 模型示意图

2 模拟计算

首先对不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布情况进行分析，选定煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 六种条件进行分析，掘进过程中不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布曲线，如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布曲线

从图2 可以看出，2-111 工作面回风巷在开挖后，此时煤柱内部垂直应力随着距离工作面距离的减小呈现先增大后减小的趋势，同时随着煤柱宽度的增大，煤柱内部垂直应力峰值呈现出逐步增大的趋势。当煤柱宽度为3 m～4 m 时，此时煤柱内部的垂直应力峰值较原岩应力小，此时的煤柱承载能力较差，而随着煤柱宽度的增大，此时煤柱内部垂直应力峰值快速增大，当煤柱宽度增大至5 m 时，此时煤柱内部稳定区域较小且稳定区域距离巷道煤帮较远，此时锚杆极难锚固。当煤柱宽度增加至6 m～8 m 时，此时煤柱内垂直应力的峰值明显大于原岩应力，且随着煤柱宽度的增大，此时煤柱内的垂直应力峰值呈线性增长，此时的稳定区域逐步向着煤帮靠近，对于锚杆锚固较为有利。综上所述，可以看出在煤柱宽度小于6 m 时，此时煤柱内的垂直应力峰值较小，无法满足巷道稳定性要求。当煤柱宽度大于6 m 时，此时煤柱内稳定区域范围增加明显，利于锚杆锚固。所以在考虑承载力后煤柱的合理宽度不应低于6 m。

对不同煤柱宽度下，煤柱水平位移进行分析，选定煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 六种条件进行分析，掘进过程中不同煤柱宽度下煤柱水平位移曲线，如图3 所示。

图3 不同煤柱宽度下煤柱水平位移曲线

从图3 可以看出，随着隧道的开挖，此时煤柱帮的水平位移呈现出如下的变化规律：护巷煤柱沿宽度方向，水平位移呈现先减小后增大的趋势，当煤柱宽度为3 m～5 m 时，此时煤柱内部水平位移量呈现出线性增长趋势，增长幅度较大，而当煤柱宽度6 m～8 m时，此时煤柱内部水平位移量增长幅度有所降低，这是由随着煤柱宽度的增大，煤柱承载能力增强，煤柱抗水平变形能力增强，煤柱发生水平方向的位移量也就有所减小。在煤柱宽度6 m 时，此时煤柱内部4 m左右，煤柱出现相反的水平移动，此时煤柱内部存在水平位移零分界线，分界线随着煤柱宽度的增加，逐步靠近采空区一侧。

对不同煤柱宽度下巷道围岩变形量进行分析，同样选定煤柱宽度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 六种条件进行分析，不同煤柱宽度下巷道围岩变形曲线，如图4 所示。

图4 不同煤柱宽度下巷道围岩变形曲线

从图4 可以看出，随着煤柱宽度不断增大，巷道顶板和巷道两帮移近量呈现出逐步减小的趋势，当煤柱宽度为3 m 时，此时巷道的顶板下沉量为48.93 mm，此时的两帮移进量为41.22 mm，此时的巷道变形量较大，巷道稳定性较差。当煤柱宽度增大至4 m 时，此时巷道围岩变形量有了较大幅度的减小，此时的巷道顶板及两帮移近量分别为34 mm 和28 mm，随着煤柱宽度的进一步增大，巷道顶板及两帮移近量仍持续减小，此时的巷道顶板和两帮移近量分别为26 mm 和20 mm，当煤柱宽度大于5 m 时，此时巷道顶板及两帮的移近量达到稳定值，下沉量保持在21.53 mm～23.10 mm，两帮移进量在18.51 mm～19.64 mm 范围内，所以根据围岩变形量可以得出巷道护巷煤柱5 m以上时，巷道稳定性能够满足要求，综合分析不同煤柱宽度下的煤柱受力及水平变形得出，最佳煤柱宽度为6 m。

3 结论

1）利用数值模拟软件对不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布曲线，发现当煤柱宽度小于6 m 时，无法满足巷道稳定性要求。当煤柱宽度大于6 m 时，此时煤柱内部稳定区域增加，煤柱稳定性较好。

2）护巷煤柱沿宽度方向，水平位移呈现先减小后增大的趋势，当煤柱宽度为3 m～5 m 时，此时煤柱内部水平位移量快速增长，而当煤柱宽度6 m～8 m 时，水平位移增长幅度有所降低，煤柱抗水平变形能力增强。

3）随着煤柱宽度不断增大，巷道顶板和巷道两帮移近量呈现出逐步减小的趋势，同时综合不同煤柱宽度下的煤柱受力及水平变形得出，最佳煤柱宽度为6 m。