孤岛综放工作面沿空掘巷煤柱合理宽度的确定

郭喜斌

【摘 要】 针对孤岛工作面围岩结构复杂和回采巷道变形严重，留大煤柱沿空掘巷造成资源浪费等问题，文章采用理论分析和数值模拟相结合的研究手段，对护巷煤柱合理宽度进行研究。结果表明：1）理论计算得到窄煤柱最小宽度为7.8m;2）数值模拟得到煤柱宽度为9m时，能保证自身稳定并有效支撑上覆岩层，提高了煤炭回收利用率。现场实测表明，2104运输顺槽留9m窄煤柱并进行有效加固后，巷道变形得到有效控制。本文为孤岛工作面沿空掘巷护巷煤柱宽度的确定提供了参考。

【关键词】 孤岛工作面;综放开采;沿空掘巷;煤柱宽度;数值模拟

【中图分类号】 TD822.3 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）04-0019-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

煤柱合理宽度的确定是维护沿空掘巷围岩稳定性的重要影响因素。而相对于常规工作面而言，受邻近工作面回采影响，孤岛综放工作面围岩结构复杂、矿压显现剧烈，回采巷道变形较大。确定合理的护巷煤柱宽度，是有效控制孤岛工作面沿空掘巷围岩变形，确保工作面安全回采的重要措施。对此，许多学者和矿山科技工作者进行了大量的研究。秦小卫采用理论分析和数值模拟等方法确定了章村矿孤岛工作面护巷煤柱宽度为3m时，最有利于防范冲击地压并能对孤岛工作面进行最大限度的回采。段军等采用FLAC3D数值模拟软件对比分析了宽度为4～12m的煤柱应力、塑性区分布和位移情况，确定了某矿孤岛工作面煤柱合理宽度大于8m。赵宁、王晨辉和杨小军等分别就孤岛工作面沿空掘巷煤柱合理宽度进行了研究。本文以山西某矿2104孤岛综放工作面沿空掘巷为研究对象，结合理论计算和数值模拟结果，确定了护巷窄煤柱的合理宽度并进行了现场验证，为孤岛工作面沿空掘巷护巷煤柱宽度的确定提供了参考。

1工程概况

山西某矿目前主采2#煤层，该煤层平均埋深为326m，均厚4.2m，煤层平均倾角5°。该煤层为地质构造简单，为全区稳定可采煤层。煤层内赋存有厚度为0.2～0.4m炭质泥岩夹矸。2#煤層顶底板情况如图1所示。

2#煤层2104工作面位于井田西南部一采区，地面标高+652～664m，井下标高+435～485m，埋深140m。该工作面南、北和东侧依次为2102、2106和2303工作面采空区，西侧为实体煤，故2104工作面为三面采空的孤岛工作面。2104工作面采用走向长壁综采放顶煤工艺进行回采。2104孤岛工作面布设位置如图2所示。

2沿空留巷煤柱宽度理论分析

2104孤岛工作面留窄煤柱沿空掘巷如图3所示。上一工作面回采导致采空区边缘基本破断和垮落，形成一个弧形块体（如图3中B块体所示），进而在采空区边缘形成一定范围的卸压区，在该区内布设回采巷道易于维护。而随着采空区上覆岩层的破断和垮落，在侧向支承压力作用下沿空掘巷护巷窄煤柱易在两侧形成塑性区，而在煤柱中部形成弹性区。由煤柱保持稳定的力学条件可知，沿空掘巷所留设的窄煤柱在保留有一定宽度的弹性区的同时，确保煤柱宽度大于塑性区宽度。

式（1）和（2）中，B为合理煤柱宽度，m;x1为锚杆有效支护长度，m;x2煤柱稳定系数;x3煤柱塑性区宽度，m;λ为比例系数。结合概况2104工作面实际生产地质情况可知，x1取2.4m，x3取4.1m，λ取0.2，分别带入式（1）和（2），计算得到2104孤岛工作面沿空掘巷护巷窄煤柱宽度为B≥7.8m。即当护巷煤柱宽度最小为7.8m时，可确保护巷煤柱和沿空掘巷围岩稳定。

3沿空留巷煤柱合理宽度数值模拟分析

根据该矿2#煤层2104工作面具体地质情况和岩石物理力学测试报告，利用FLAC3D数值模拟软件建立计算模型，所建立的数值模型尺寸为300×200×80m（长×宽×高）。模型上边界施加3.5MPa的均布载荷，下边界和左右两端边界固定位移。所建立的数值模型如图4所示。

在模型建立完成并平衡后，首先开挖2102和2106工作面，并待工作面开挖完毕且稳定后掘进2104运输顺槽，护巷窄煤柱宽度分别按7、8、9和10m四个方案留设，最后开挖2104工作面。在护巷窄煤柱内部设有应力监测点，以获取不同宽度煤柱应力随工作面推进的变化数据，进而为沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定提供依据。不同宽度护巷窄煤柱垂直应力变化数值模拟结果如图5所示。

分析图5可知，不同宽度煤柱的垂直应力随距煤柱帮距离的增加呈先增大后减小的变化趋势。受2104运输顺槽掘进和2104工作面回采的影响，护巷煤柱宽度为7m时，应力峰值为10.92MPa小于2104工作面围岩原岩应力的12.75MPa，说明该宽度的煤柱不足以承载上覆岩层重量而发生严重破坏，其整个宽度范围内均为发生塑性变形破坏而不存在弹性区，导致其承载能力丧失。

当护巷煤柱宽度为8m时，其应力峰值为12.77MPa，与该工作面围岩的原岩应力大小相当，说明宽度为8m的护巷煤柱处于极限平衡状态。该宽度的护巷煤柱承载能力相较于宽度为7m的煤柱承载能力虽略有增强，也没有发生显著破坏，但仍有可能发生破坏。

当护巷煤柱宽度增大至9m时，煤柱应力峰值为14.29MPa，应力集中系数为1.12，说明煤柱宽度增大至9m时其承载能力显著增强，煤柱内部具有一定范围的弹性核区，故2104工作面护巷煤柱宽度至少应为9m。

当护巷煤柱宽度增大至10m时，煤柱应力峰值为17.64MPa，应力集中系数为1.38，说明随着煤柱宽度增大其承载能力不断增强。

综合理论计算和数值模拟结果可知，2104工作面护巷煤柱宽度为9m时能有效支撑上覆岩层并保证自身稳定。此外，煤柱承载能力随其宽度增加而增强，但为了提高煤炭资源回收利用率和企业经济效益，将2104孤岛工作面沿空掘巷护巷窄煤柱的合理宽度确定为9m。

4工业性实验

该矿2104孤岛工作面运输顺槽采用宽度为9m的沿空掘巷，并根据该工作面实际生产情况对巷道进行了支护加固。为了探究宽度为9m的护巷煤柱是否满足该工作面生产需求，本文采用十字布点法对2104工作面回采过程中2104运输顺槽围岩变形情况进行监测，结果如图6所示。

由图6可知，当护巷窄煤柱宽度为9m时，2104运输顺槽表面移近量随距工作面距离的增加呈现出现快速减小后趋于稳定的变化趋势，且该巷道顶底板移近量显著大于两帮移近量。此外，2104运输顺槽顶底板移近量和两帮移近量最大值分别为290.36mm和148.93mm，随距工作面距离的增加，其顶底板移近量和两帮移近量分别稳定在100和25mm，巷道围岩未发生显著变形和破坏，巷道变形得到有效控制，表明护巷窄煤柱宽度为9m时可保证2104孤岛工作面沿空掘巷的稳定。

5结语

理论计算得到2104孤岛工作面沿空掘巷护巷窄煤柱合理宽度下限为7.8m;

数值模拟结果表明，煤柱宽度为9m时，其承载能力显著增强且具有一定范围的弹性核区;

确定了护巷窄煤柱的合理宽度为9m，且现场试验表明2104工作面运输顺槽无显著变形和破坏，取得了良好的应用效果。

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