浅埋煤层沿空掘巷煤柱尺寸优化研究

宋永起

（山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）

近年来，沿空掘巷小煤柱护巷技术在我国各大矿区得到普遍应用[1-3]。在掘巷过程中，合理的煤柱尺寸是保证巷道稳定性和安全性的重要因素[4-6]。杨家村煤矿原采用留15 m 大煤柱的方式布置巷道，亟需对5 煤层沿空掘巷区段煤柱宽度进行合理优化。

1 工程背景

杨家村煤矿5 号煤层平均埋深250 m 左右，平均厚度2.07 m，属浅埋中厚煤层。顶底板岩性如图1。

图1 5 煤层顶底板岩性柱状图

2 煤柱合理宽度理论计算

2.1 沿空掘巷煤柱支护理论依据

煤层开采以后，工作面上方的直接顶岩层随之垮落。将工作面上方直接顶、基本顶和上方岩层看作传递岩梁，基本顶和上方岩层之间产生离层，工作面前方的基本顶、直接顶和上方岩层则未离层。工作面采用沿空掘巷留小煤柱护巷时，沿空巷道位于直接顶和基本顶断裂产生的三角块下方，此时煤柱处于侧向支承压力降低区。沿空掘巷岩层结构图如图2。

图2 沿空掘巷岩层结构图

2.2 合理煤柱宽度理论计算

根据5 煤层的具体开采条件和参数，采用围岩极限平衡强度计算法和弹性核理论计算法对留设煤柱尺寸进行理论计算。

2.2.1 围岩极限平衡强度计算法

极限平衡法依靠锚杆或锚索等工具的极限锚固作用，将煤柱尺寸控制在尽可能小的范围内，在保证巷道稳定性的基础上提高煤炭的采出率。根据巷道两侧煤体应力分布规律以及围岩极限平衡理论，结合图3 所示的计算简图，通过公式（1）、（2）计算得出合理的区段煤柱宽度B：

图3 合理煤柱宽度计算简图

式中：x1为相邻工作面回采后煤柱内的塑性区宽度，m；m为煤层开采高度，2.5 m；A为煤层侧压系数，0.5；φ为煤体内摩擦角，27.3°；C0为煤体内黏聚力，1.41 MPa；k为应力集中系数，2；H为巷道埋深，250 m；ρ为岩层的平均密度，2.4 t/m3；P0为来自相邻工作面区段平巷的支护阻力，取P0=0；x2为锚固区长度，2.88 m；x3为安全系数，x3=K（x1+x2）=0.74～1.72 m；K为稳定性系数，0.15～0.35。

2.2.2 弹性核理论计算法

根据弹性核理论，煤柱中部应有弹性区，用于分隔两侧的塑性区，弹性区的宽度应该不小于两倍煤层采高[7]。因此，煤柱宽度由煤柱两侧的塑性区和弹性区三部分构成，根据公式（3）可以计算出煤柱的合理宽度：

式中：X1为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度，m；X3为煤柱靠近巷道一侧应力作用下形成的塑性区宽度，m。

根据以上讨论及计算，合理煤柱尺寸为7.73 m。

综上所述，通过极限平衡理论和弹性核理论所得5 煤层区段护巷煤柱的合理宽度为5.6～7.73 m。

3 煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响的数值模拟

3.1 区段煤柱沿空掘巷的模型设计及结果分析

根据巷道边界条件和5 煤层的顶、底板情况，建立x·y·z=200 m×120 m×40 m 的FLAC3D模型。设置数值模型在前后面、左右面以及下面均为固定边界，且无水平方向位移，即Sx=Sy=0。自模型上方施加垂直方向应力，应力大小：P=5.25 MPa。

本次模拟根据理论计算的结果5.6～7.7 m，结合现场为保证安全应用的可行性，增加宽度至10 m。在考虑均匀取值的前提下，为方便模型建立和计算，取煤柱宽度5 m、7.5 m 和10 m 三个方案进行模拟。数值模拟模型如图4。

图4 数值模拟模型

3.2 数值模拟结果分析

如图5 所示，当煤柱尺寸从5 m 到10 m 变化过程中，垂直应力的最大峰值慢慢增大，这表明随着5 煤层区段煤柱宽度的增加，其能够承载的最大垂直应力也逐渐增加，即区段煤柱的稳定性也整体趋向于增加。与此同时，随着区段煤柱宽度的增加，其水平应力的集中程度和影响范围都呈现先减少后增加的趋势，当留设的区段煤柱宽度为7.5 m 时，应力集中程度和影响范围最小。

图5 不同尺寸的煤柱围岩应力分布图

结合上文理论计算和FLAC3D数值模拟的结果综合分析，确定5 煤层的沿空掘巷区段煤柱宽度为7.5 m。

4 煤柱尺寸优化结果分析

为验证上述理论计算和数值模拟结果在实际生产过程中的有效性，通过在现场实际选取试验段巷道进行顶板离层数据观测。在距离工作面10 m、35 m、60 m、85 m 处分别布置观测断面进行观测，巷道顶板离层量与工作面推进距离关系如图6。

图6 试验巷道顶板离层量图

由图6 中可看出，开始观测时距工作面较远，离层量较小，当观测点距工作面10 m 左右时，巷道顶板离层量开始显著增加。随着距工作面距离的逐渐减小，巷道顶板离层量不断增大，顶板累计离层量最大达到51 mm，7.5 m 护巷煤柱的支护效果较好，能够使围岩得到有效控制。

5 结论

针对杨家村煤矿5 煤层的赋存特点和开采技术条件，通过分析及模拟方法，确定该沿空巷道区段煤柱的合理煤柱尺寸为7.5 m。经试验，优化后的煤柱宽度能够满足现场安全生产要求。