综采工作面巷道护巷煤柱留设尺寸研究

刘 伟

(山西省晋城市阳城县 应急管理局，山西 阳城 048100)

随着近些年我国煤炭开采逐渐向深部发展，回采巷道受到高应力的影响，出现了巷道围岩变形严重、护巷煤柱破坏等现象[1-2]。护巷煤柱的稳定性对巷道围岩整体稳定性有着极大的影响[3]。在巷道掘进或工作面回采过程中应力发生重新分布，在护巷煤柱内部应力分布范围将发生变化，当护巷煤柱留设尺寸不合理，在掘进或回采过程中将发生失稳破坏，严重影响矿井的安全生产[4-5]。本文以西河煤矿3号煤层工作面回采巷道护巷煤柱留设为背景，通过理论计算和数值模拟的方法科学确定合理的护巷煤柱尺寸。

1 工程概况

西河煤矿主采3号煤层，3号煤层位于山西组中下部，煤层赋存不稳定，其中二盘区煤层厚度3.5～5.1 m，平均厚度4.5 m，倾角1～3°，煤层直接顶为泥岩或粉砂质泥岩，平均厚度4.5 m；基本顶为灰色细砂岩、泥岩互层，平均厚度17.33 m；直接底为泥岩或炭质泥岩互层，平均厚度4.3 m。

3207和3208是邻近工作面，位于该矿3号煤二盘区，3208工作面还未布置。3207工作面正在回采，设计采高4.5 m，工作面长度270 m，推进长度1 100 m。工作面布置三条巷道，胶带巷、辅运巷及回风巷。工作面位置关系如图1所示。

图1 3207工作面巷道位置关系

3207工作面胶带巷和辅运巷之间护巷煤柱留设12 m，在工作面回采过程中，煤柱片帮严重，不得不采取补打锚杆、锚索的方法进行补强支护，不但增加了巷道的维护成本，而且不利于矿井的安全生产，因此必须对巷道煤柱留设尺寸进行科学的选择。

2 煤柱尺寸的理论计算

当煤柱一侧采空时，采空区周围煤柱(体)处于弹性变形状态，煤柱(体)应力σy分布如图2中曲线1所示，σy随与采空区边缘之间距离增大，按负指数曲线关系衰减。在高应力作用下，从煤柱(体)边缘到深部，都会出现破裂区、塑性区、弹性区及原岩应力区。弹塑性变形状态下，煤柱(体)垂直应力σy分布如图2中曲线2所示。

图2 煤柱(体)的垂直应力分布

图中Ⅰ区域为破裂区，受采动影响该区域范围内的煤柱率先发生扰动破坏；Ⅱ区域为塑性区，该区域内的煤体一直承受较高的集中应力，随着采动影响及时间的推移将变成新的破裂区域；Ⅲ区域为弹性区应力升高部分，该区域是由于煤体边缘发生破坏后导致集中应力整体向后迁移，应力交原岩应力有所升高；Ⅳ区域为原岩应力区，该区域并未受到采动影响，仍然保持原始的应力状态。

煤柱的承载能力，随着远离煤柱边缘而明显增长。在距离煤柱边缘一定宽度范围内，煤柱的承载能力与支承压力处于极限平衡状态。运用岩体的极限平衡理论，可以计算出塑性区宽度，即支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离x0为：

(1)

根据煤柱塑性理论，使煤柱稳定的前提必须保证弹性核宽度为煤层采高的2倍。根据此理论煤柱合理宽度为：

B=x0+2M+x1

(2)

式(2)中：

(3)

对于西河煤矿，M=4.5 m，φ=23°，H=150 m，γ=25 kN/m2,K=2，C=800 kPa，代入上述公式计算得出：x0=1.9 m，x1=3.39 m，B=14.29 m。

3 数值模拟分析

针对3207工作面具体情况，运用FLAC3D数值模拟软件建立模型，模拟工作面推进150 m时，工作面前后一定范围内护巷煤柱屈服破坏情况及受力情况，从而确定合理的煤柱留设尺寸。

图3为工作面推进到150 m时，工作面前方20 m，10 m和滞后工作面20 m，50 m，80 m、110 m时护巷煤柱破坏情况。由图3可知，随着工作面推进，巷旁护巷煤柱会受到一定的扰动破坏，尤其在工作面推过一段时间后，护巷煤柱破坏会逐渐增大，直至趋于稳定。工作面前方煤柱受到工作面采动影响较小，滞后工作面煤柱破坏严重，尤其是顶板岩层，破坏逐渐向煤柱深部发展；滞后工作面110 m时的护巷煤柱破坏与滞后80 m时的破坏差别不大已经趋于稳定。

图3 距工作面不同距离处护巷煤柱破坏情况

图4为工作面推进到150 m时，工作面前方20 m，10 m和滞后工作面20 m，50 m，80 m、110 m时护巷煤柱侧向垂直应力分布曲线。由图4可知，护巷煤柱侧向应力随距离煤柱边缘距离的增加，先增大后降低并逐渐趋于稳定。距工作面不同距离侧向应力峰值变化不大，集中在距煤柱边缘2.5～3.5 m之间，峰值至距煤柱边缘10 m侧向应力逐渐降低，该区域属于弹性应力增高区；距煤柱边缘10～15 m位置，应力逐渐趋于稳定，当距煤柱边缘15 m以后应力已经恢复到原岩应力。

图4 距煤柱不同距离处侧向垂直应力分布曲线

因此，根据数值模拟结果结合理论计算结果，3207工作面巷道护巷煤柱留设宽度为15 m较为合适。

4 工程应用

3208工作面同样布置三条巷道，采用两进一回的通风方式，在布置3208工作面时，胶带巷和辅运巷之间护巷煤柱留设为15 m，并在工作面回采期间对巷道整体变形量进行了监测，结果如图5所示。巷道顶板围岩变形量随工作面不断推进，逐渐增大，当工作面推过80 m后开始趋于稳定，最终稳定在110 mm左右；两帮围岩变形量也随工作面不断推进而逐渐增大，当工作面推过80 m后开始趋于稳定，最终稳定在58 mm左右；现场观察非回采帮煤仅仅存在轻微片帮，较3207工作面护巷煤柱状态明显好转，充分说明， 3号煤层工作面护巷煤柱选择15 m科学合理。

图5 巷道围岩变形量随工作面变化

5 结 语

1) 通过建立煤柱受力力学模型，分析了煤柱的整体受力特征，并理论计算出了巷道护巷煤柱留设最佳宽度应为14.39 m。

2) 通过数值模拟得出，随着工作面推进，巷道护巷煤柱会受到一定的扰动破坏，尤其在工作面推过一段时间后，护巷煤柱破坏会逐渐增大，直至趋于稳定。工作面推过80 m后，煤柱状态趋于稳定。

3) 护巷煤柱侧向应力随距离煤柱边缘距离的增加，先增大后降低并逐渐趋于稳定，并得出了煤柱各应力区域的范围。

4) 根据现场应用和实测，3208工作面留设15 m护巷煤柱后，煤柱破坏明显减弱，巷道围岩稳定。