特厚煤层综放工作面护巷煤柱留设尺寸研究

张文强

(阳煤世德孙家沟煤矿，山西 忻州 036600)

近年来，随着我国煤矿企业大力倡导安全高效绿色生产理念，沿空掘巷窄煤柱开采技术取得了显著成效。不同于沿空留巷的充填墙工艺，沿空掘巷需要在采空区侧留设护巷煤柱，以保证巷道的整体稳定性及隔绝采空区[1-2]。由于沿空掘巷临近采空区，巷道处于采空区侧向支承压力下方，因此护巷煤柱留宽不仅关系到采区煤炭资源回收率，也会影响巷道围岩的应力环境[3]。本文以13313 工作面为工程背景，研究特厚煤层综放工作面护巷煤柱的合理留设宽度。

1 工程背景

山西世德孙家沟煤矿13313 工作面位于13#煤层水平三采区，工作面标高778.4～831.8 m，可采走向长度×倾斜长度为1361 m×210 m，埋深243.2～296.6 m。工作面北部为原同保矿准备巷，南部为13#煤北回风巷，西部为尚未开采的13#煤层，东部为13311 综采工作面采空区。工作面采用综采放顶煤法，沿煤层底板走向布置有“一进一回”两条巷道，其中沿空掘巷工艺施工的回风顺槽临近13311 综放面采空区，顺槽尺寸4.6 m×3.3 m，顶板采用锚网索带+钢筋托梁联合支护，煤柱帮采用锚索+金属网+螺纹钢锚杆联合支护。回风顺槽断面支护如图1 所示，工作面顶底板岩性及力学性质见表1 所示。

图1 沿空巷道断面支护方式

表1 岩石力学性质表

2 合理煤柱宽度计算

为使沿空掘巷围岩处于低应力环境中，根据上区段采空区侧向支承压力的分布形式，巷道应尽量靠近采空区，这样可使巷道处于支承压力降低区。同时为了保证巷道围岩的整体稳定性，护巷煤柱又需要有足够的宽度以保证自身承载性能。因此采空侧煤体内侧向支承压力的分布特征是确定护巷煤柱合理尺寸的关键。

研究结果表明[4-5]，上区段工作面回采结束后，上覆直接顶岩层冒落充填采空区，而基本顶岩梁沿采空区四周破断形成“砌体梁”结构。随着弧形三角块B 块回转下沉并最终稳定后，采空区侧向支承压力分布将沿B 块与稳定块A 块间断裂线为界分成两部分，一为近采空区侧煤壁与断裂线间的“内应力场”，二为断裂线以外向煤体深部方向转移的“外应力场”。前者应力源为上覆断裂岩梁结构自重，后者应力源为上覆岩层自重及断裂岩梁传递荷载。

“内应力场”内支承压力F等于工作面初次来压时上覆基本顶断裂岩梁自重W，所以有：

式中：

G0-处于塑性状态的煤体刚度值；

y0-护帮煤体的平均压缩量。

根据上区段13311 工作面实测数据可以得到“内应力场”宽度S1为15.5 m。为保证综放沿空巷道布置在“内应力场”范围内，从而使护巷窄煤柱和沿空巷道处于低应力区，沿空巷道宽度和护巷煤柱宽度之和应不大于“内应力场”宽度，即S1≥L煤柱+L巷宽，由此可以得出煤柱的最大宽度为10.9 m。

此外，如果煤柱尺寸过小，其承载能力过低，不仅不利于煤柱帮锚杆锚索支护，同时也会影响巷道整体稳定性。因此，护巷煤柱的宽度下限应不低于极限平衡状态下的煤柱宽度。

根据极限平衡理论可得，护巷煤柱的留宽应满足：L煤柱≥x1+x2+x3

式中：

x1-上区段工作面采动作用下煤体侧松散破碎区宽度，其计算公式 ；

x2-护巷煤柱锚杆或锚索的有效长度；

x3-护巷煤柱自稳性系数，本文取值为0.2（x1+x2）；

m-煤层厚度；

λ-侧压系数，λ=μ/(1-μ)，μ为泊松比；

φ0-煤层内摩擦角；

C0-煤层内聚力；

K-应力集中系数；

γ-岩层平均容重；

H-巷道埋深；

Px-煤帮的支护阻力，本文中取其值为 0.2 MPa。

根据工作面基本情况，计算得出x1=2.2 m，而巷道煤柱帮支护采用4.2 m 锚索，即x2=4.2 m，所以得出L煤柱≥7.7 m。综上所述，13313 综放面护巷煤柱合理留设宽度为7.7～10.9 m。

3 不同煤柱宽度模拟

为分析13311 工作面回采过程中护巷煤柱宽度对巷道围岩塑性区分布特征的影响，根据13313 综放面赋存特征及回风顺槽断面尺寸，通过FLAC3D软件建立长×宽×高为300 m×150 m×100 m 的数值计算模型，并根据沿空巷道断面尺寸进行开挖前处理。模型顶部施加自重载荷5.2 MPa，侧向施加水平约束，底部施加垂直位移约束，计算采用摩尔-库仑强度准则，分别对护巷煤柱宽度为7 m、8 m、9 m、10 m、11 m时进行上区段工作面开挖计算。结果如图2所示。

图2 不同煤柱宽度下塑性区分布特征

从图2 中可以看出，在上区段工作面回采推进过程中，沿空巷道护巷煤柱两侧均出现一定宽度的塑性破坏区，而煤柱内部也出现不同宽度的弹性核区。弹性核区能够有效承载覆岩压力，所以弹性核区越宽表明煤柱稳定性越高，越有利于沿空巷道围岩的稳定。由于当护巷煤柱宽度小于9 m 时，煤柱两侧塑性区在覆岩压力下发生贯通，导致护巷煤柱承载能力下降，难以保证巷道的整体稳定性，而当煤柱大于9 m 后，虽然弹性核区相应增大，但遗煤量显著增加，不利于资源回采，所以，综合数值模拟结果，13313综放面合理最佳护巷煤柱宽度为9 m。

4 巷道围岩变形观测

为掌握13313 综放面回风顺槽在留设9 m 宽护巷煤柱时受13311 工作面采动影响下的围岩变形规律，通过十字观测法观测巷道顶煤下沉量和两帮移近量，得出巷道支护完成后巷道围岩的变化过程如图3 所示。

从图中可见，巷道顶煤及两帮变形曲线均表现为先快速增大后逐渐趋于稳定的过程，其中顶煤下沉量在成巷30 d 后基本趋于稳定，最大值为93 mm，两帮移近量在25 d 后趋于稳定，最大值达到146 mm。巷道围岩变形量处于允许范围内，说明留设9 m 宽的护巷煤柱能够有效保证沿空巷道围岩的稳定。

图3 巷道围岩变形观测曲线

5 结论

（1）根据采空区侧向“内应力场”支承压力分布特征和护巷煤柱极限平衡理论，得出了护巷煤柱的取值区间计算公式，并结合13313 综放面的基本地质特征，得到了护巷煤柱的合理留设宽度为7.7～10.9 m。

（2）通过FLAC3D数值模拟分析了护巷煤柱宽度为7 m、8 m、9 m、10 m、11 m 时受采动影响下煤柱塑性区分布范围和弹性核区尺寸，得出了13313 综放工作面最佳护巷煤柱宽度为9 m。

（3）通过观测沿空巷道顶煤变形量和两帮移近量的变化过程，发现其顶煤最大下沉量为93 mm，两帮最大移近量为146 mm，说明留设9 m 宽的护巷煤柱能够有效保证沿空巷道围岩的稳定。