采煤工作面沿空掘巷区段煤柱宽度优化研究

＊王国召 王飞飞

（陕西延长石油集团横山魏墙煤业公司 陕西 719000）

我国煤矿井工开采仍是主要开采手段，随着埋深的增加，煤炭资源高效开采成为当前的热门研究方向[1-3]。针对区段煤柱宽度留设仍是矿井高效回采的关键技术[4-7]。本文以5319 采煤工作面为工程背景，建立了煤柱宽度的计算模型，并通过理论计算、数值模拟及与现场应用相结合的研究方法对区段煤柱留设的宽度进行了分析优化。

1.工程背景

图1 5319 工作面布置平面图

5319 工作面新布置的工作面回风巷属于典型的沿空掘巷，由于受5320 工作面的回采过程的采动影响，5319 工作面所留设巷道在维护前，煤柱上方煤岩体已出现较多裂隙，进而导致顶板或煤柱出现局部变形现象。5319 工作面沿空巷道一方面受5319 工作面超前支承压力的作用，同时也承受5320 采空区侧支承压力的作用，导致5319 工作面沿空巷道矿压显现极其严重。未采取防治措施的情况下，推采5319 工作面时，所造成的巷道变形量是掘进期间的5～6 倍以上。

图2 综采工作面煤层柱状图

5319 工作面布置在3#煤层松软，煤样抗压强度最大13.7 MPa，最小4.3 MPa，平均为10.3 MPa，软化系数平均为0.55，抗拉强度最大0.15 MPa，最小0.07 MPa，平均为0.10 MPa。

2.煤柱宽度理论分析

煤柱宽度理论分析的目标是建立和简化计算模型（如图3），在保证煤炭回收率的基础上（留设较小尺寸煤柱），需确保巷道稳定。确定煤柱宽度B 的计算公式如下。

图3 合理煤柱宽度的计算模型

X1是在采空区侧煤体中形成的塑性区域的宽度，它的大小可以通过公式（2）来计算。

式中：m—煤层厚度，m；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比；φ0—煤层界面的内摩擦角，°；C0—煤层界面的粘结力，MPa；k—应力集中系数；γ—上覆岩层的平均容重，kN/m3；H—巷道埋深，m；Pz—支架的抗压能力，在采空区的表现为零，从而有效地抵抗煤帮的压力；X2是指锚杆的有效长度，它取决于锚杆支护参数的选择；X3是一种因为煤层厚度的增加而导致的煤柱宽度的增长。

根据巷道围岩力学和支护参数，我们可以计算出沿空窄煤柱宽度的理论值，即B=3 ＋1 ＋（3 ＋1）×0.15（0.35）=4.6 m（8.1 m）。

采用传统极限平衡理论的方法计算煤柱宽度，得到煤柱宽度的理论值为4.6～8.1 m。

3.数值模拟结果及分析

（1）数值计算模型建立。使用FLAC3D数值计算软件对沿空掘巷特征进行数值模拟分析，根据5319 工作面实际生产地质条件和巷道布置位置的关系，建立如图4 所示的沿空掘巷数值计算模型，表1 即为模型的参数。模型尺寸（长×宽×高）确定为400 m×180 m×48 m。

表1 顶底板岩体力学特性

图4 沿空掘巷数值计算模型

（2）应力分布特征与确定合理煤柱宽度。根据5319 工作面生产的地质情况，同时结合综采工作面在开采后采空区的侧向支承压力分布的数值模拟情况。在考虑如何确定沿空掘巷窄煤柱的宽度时，对8 种煤柱留设方案进行数值模拟与分析，巷道都布置于上区段采空区稳定后侧向支承压力的应力降低区域，煤柱尺寸为4 m、5 m 和6 m 布置在应力峰值的左侧；煤柱尺寸为17 m、18 m、19 m、20 m 和25 m 为布置在应力峰值的右侧。理论计算小于4 m 的煤柱达不到支承需要，顾及到采空区的透水问题，巷道的围岩应力系数不要过大，在一定的安全系数情况下，应将巷道围岩应力系数设置在2.5 以下，7 m 到16 m 上覆围岩应力集中系数皆大于2.5，巷道所承受的压力较大，支护及采煤工作极为困难，不利于安全开采。以4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m 和20 m 八个煤柱宽度的方案进行数值模拟，通过分析模拟结果的应力分布规律及变性特征，选取最佳的煤柱宽度。具体方案见表2。

表2 煤柱宽度选取方案

（3）回采期间巷道应力分布结果分析。5319 综采小作面在回采过程中，超前支承压力峰值位于工作面前方8 m 处，做切面研究不同煤柱的垂直应力与煤体边缘距离的关系煤柱宽度以及垂直应力分布规律对巷道围岩垂直应力分布的分析。

根据数值模拟结果，巷道围岩应力参数与煤柱留设宽度分布规律，如表3 所示。

表3 掘进时期的应力集中系数

5319 工作面回采时，在巷道超前8 m 的应力监测点，在4 m、6 m 和8 m 煤柱侧向应力峰值伴随煤柱宽度的增大而增大，尺寸4 m 煤柱的应力峰值为21 MPa，尺寸6 m 煤柱的应力峰值为28 MPa，尺寸8 m 煤柱的应力峰值为30 MPa。煤柱侧的应力峰值相对于掘进时期的应力峰值，由于受到回采时产生的超前应力的影响,支承应力也稍有增加。5319 工作面沿空巷道同时受超前支承压力和侧向支承压力作用，压力峰值分别为34 MPa 和90 MPa。随着煤柱尺寸增加至18 m，煤柱受侧向支承压力峰值为60 MPa 左右。

（4）通过研究煤柱宽度，我们可以更好地了解巷道围岩的塑性分布情况。4 m、6 m 和8 m 的煤柱在工作面的前部8 m 处遭遇剧烈的挤压，导致巷道的双边遭遇断裂。特别是6 m 和8 m 的巷道，它们的断裂情况最为严峻，而且断裂的影响范围也比较广泛。尽管4 m 断裂面积较小，但它的塑性损伤比开采要大得多。在10 m、12 m、14 m、16 m 和18 m 的情况下，可以发现巷道的损伤程度相对较低，同时煤柱的塑性冲击范围也相应缩短。因此，当煤柱的直径变得更长时，巷道的损伤程度也将相应降低。

表3 为开采过程应力集中系数分析结果。经测试，4 m、6 m、8 m 的矿柱巷道的上层围岩的最高应力分布比较平稳，一般不超过2.5，而10 m、12 m、14 m、16 m 和18 m 矿柱巷道的最高应力分布比例则介乎1～2.5，这些都符合掘进的安全要求。经过研究发现，当巷道长度达到1 m 时，其覆盖围墙的最大应力集中系数几乎没有发生任何改变，但是当长度超过1 m 时，则发生改变。例如，当长度达到1 m 时，其覆盖壁面的最大应力集中系数可能达到2.01；当长度达到8 m 时，其最大应力集中系数可能达到2.67；当长度达到10 m 时，其最大应力集中系数可能达到3.21；当长度达到12 m时，其最大应力集中系数可能达到2.01；当长度达到16 m 时，其最大应力集中系数可能达到1.83。因此，当长度超过1 m、17 m 和18 m 时，这些巷道的围墙的最大应力集中系数将超过2.5，这将对其安全性造成严重的威胁，危及其正常的使用。尽管4 m、6 m 的矿柱的应力集中系数较小，但它们也会导致采空区的渗漏，从而增加安全风险。相比之下，14 m、16 m、18 m 的煤柱的设计，它们的应力分布更加均匀，而且还有助于减少采空区的渗漏，从而使得它们成为最佳的工程设计。

5319 工作面运输顺槽目前掘进约200 m，与5320工作面采空区之间区段煤柱宽度暂时留设14 m。在煤柱内部打孔观察煤体内部裂隙发育情况进而对煤柱变形特征进行评价。根据图5 窥视结果可知，距离孔口1 m 位置时，孔周边出现明显变形，存在大量裂隙。随着孔深的增加，在距离孔口5 m 左右时，裂隙显著减少。经过0～5 m 的钻孔深度处理，煤柱内部的裂隙显著减少，煤柱的结构稳定，变形破坏程度极低，巷道完整性也得到了有效改善，没有出现矿压显现的情况，因此，这种煤柱的留设不会对工作面的安全回采造成任何影响。

图5 煤柱钻孔窥视图

4.结论

（1）根据极限平衡理论建立了煤柱宽度的计算模型，得出煤柱极限平衡区宽度为4.6～8.1 m。（2）使用FLAC3D数值模拟软件，建立了一个关于5319 工作面开采的模型，并对窄煤柱宽度的合理选择进行了研究。经过分析，我们发现，在窄煤柱宽度为14 m 的情况下，可以有效降低围岩应力集中系数，提高巷道的稳定性。（3）通过钻孔窥视对5319 工作面现有煤柱内部裂隙发育情况进行了观测，留设煤柱14 m 时煤柱内部仍存在未破坏区域，具有一定的承载能力，进一步验证了煤柱宽度留设的合理性。