阳煤二矿沿空掘巷小煤柱合理宽度研究

耿永飞

（阳煤集团寿阳景福煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

1 概 况

阳煤集团二矿81215 综放工作面主采15 号煤，煤层厚度5.08～7.07 m，平均6.40 m，煤层倾角2°～27°，平均4°，煤层属复杂结构煤层，含夹石2～4 层，较稳定的夹石有2 层，自上而下结构依次为：距煤层顶板0.24 m 左右的八寸石，平均厚度为0.06 m；距煤层底板2.8 m 左右的夹矸，平均厚度为0.1 m，夹石岩性为泥岩或炭质泥岩。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板结构Table 1 Coal seam roof and floor structure

81215 工作面位于+470 水平十二采区，工作面东部为81219 工作面采空区，西部为尚未掘进的81213 工作面。工作面埋藏深度+373～+536 m，走向长度1 355 m，倾斜长度258 m。工作面采用综采放顶煤的方法进行开采，割煤高度为2.6～2.8 m，放煤高度3.6~3.8 m。

目前该矿一直沿用25～30 m 左右的宽煤柱护巷，大量的宽煤柱难以回收，使得煤炭资源损失严重。为了在保证矿井安全高效回采的前提下，尽可能的提高煤炭资源的回收率，需对区段煤柱的合理留设尺寸进行优化研究。决定在81215 综放工作面回风巷进行小煤柱沿空掘巷试验。

2 合理煤柱宽度优化设计

2.1 合理煤柱宽度的理论分析

小煤柱沿空掘巷能否达到预期效果的关键在于选取的煤柱宽度是否合理，根据窄煤柱巷道围岩应力环境，小煤柱留巷需满足以下要求：①支护采用的锚固结构具有足够的强度，保证留巷段围岩的完整性，防止松动圈进一步扩大；②尽可能多的提高煤炭资源回收率，但需保证巷道的稳定性；③通过选取合理的煤柱宽度，将巷道置于侧向应力降低区内，有利于对巷道进行维护；④留设的煤柱应具有足够面积的弹性核区，能够有效承载覆岩压力，并隔绝采空区有害气体溢出。

上区段工作面回采后，应力重新分布，自采空区边缘起，侧向支承应力先呈增高趋势，后逐渐降低衰减，最终稳定至原岩应力状态。根据侧向支承应力的分布特征将区段煤柱划分为3 个区域，分别为本、工作面开挖后巷道围岩破坏区X1、上区段采空区边缘由于采动应力形成的塑性破坏区X2、煤柱内的弹性核区X3，如图1 所示。

图1 小煤柱分区示意Fig.1 Small coal pillar zoning diagram

根据侧向支承应力分布特征，巷道应尽量布置在应力降低区或原岩应力区，可通过极限平衡理论对合理小煤柱的宽度D进行计算：

其中巷道围岩破坏区X1的计算公式为：

式中：B 为巷道宽度，m；M 为工作面埋深，m；C为围岩黏聚力，MPa；φ为煤岩体内摩擦角，（°）。

采空区边缘煤柱塑性区宽度X2的计算公式为：

式中：A 为侧压系数；K 为煤柱稳定系数；γ 为岩层平均体积力，N/m3；P 为上区段平巷支架对下帮的支护阻力，kN。

煤柱内弹性区X3为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱宽度富余量，一般按（X1+X2） 值的30%~50%计算。

将阳煤二矿81215 综放工作面的相关参数带入，得出该工作面沿空掘巷合理的小煤柱宽度为6.57～7.68 m。

2.2 合理煤柱宽度的模拟分析

2.2.1 建立模型

依据81215 综放工作面的实际赋存条件，采用UDEC 数值模拟软件建立模型，模型尺寸长×高=150 m×26.2 m，利用软件中的泰森多边形Trigon命令将巷道及煤柱划分为Voronoi 三角形网格。根据工作面埋深，在模型顶部施加14.0 MPa 的垂直应力以模拟覆岩压力，侧压系数为0.8。通过边界条件约束模型左右两端的水平位移以及底部的垂直位移。

计算时，煤岩体的物理力学参数按表2 进行赋参。根据理论分析结果，确定出模拟中的煤柱宽度分别为6、8、10、15 m。建立的模型如图2 所示。

图2 数值模拟模性Fig.2 Modulus of numerical simulation

表2 煤岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

2.2.2 煤柱内应力分布规律

不同煤柱宽度下煤柱内的垂直应力分布规律如图3 所示。

图3 煤柱内的垂直应力分布规律Fig.3 Vertical stress distribution in coal pillar

由图3 可知，煤柱内的垂直应力随着煤柱宽度的增加而增大，当煤柱宽度为6 m 时，煤柱内的垂直应力整体较低，其应力峰值为3.52 MPa，低于原岩应力6.13 MPa，说明此宽度下的煤柱已全部破坏，失去了承载能力；当煤柱宽度为8 m 时，煤柱内的垂直应力峰值为11.8 MPa，高于原岩应力，此宽度下的煤柱内部存在一定的弹性核区，煤柱两边呈塑性，具有一定的承载能力；当煤柱宽度为10 m 时，煤柱内的垂直应力呈单峰曲线式分布，峰值为19.7 MPa，高于原岩应力，峰值位置距离巷道边缘6.5 m；当煤柱宽度为15 m 时，煤柱内应力也呈单峰曲线式分布，峰值为24.9 MPa，峰值位置距离巷道边缘6.0 m。

2.2.3 煤柱内裂隙发育特征

不同煤柱宽度下煤柱内的裂隙发育特征如图4所示。图中，浅色为张拉裂隙，深色为剪切裂隙。

图4 煤柱内的裂隙发育特征Fig.4 Characteristics of fracture development in coal pillar

由图4 可知，随着煤柱宽度的增加，煤柱内的裂隙闭合区（即弹性核区） 范围逐渐扩大。当煤柱宽度为6 m 时，煤柱内的裂隙高度发育并完全贯通，不具备承载能力；当煤柱宽度为8 m 时，煤柱内出现了裂隙闭合区（弹性核区），其宽度为1.5 m，具有承载能力；当煤柱宽度为10 m、15 m 时，煤柱内的裂隙闭合区宽度分别为2.8 m、5.0 m。

2.2.4 巷道变形规律

不同煤柱宽度下的巷道变形规律如图5 所示。

图5 巷道变形规律Fig.5 Roadway deformation law

由图5 可知，巷道两帮的变形量随着煤柱宽度的增加呈先减小后增大的趋势。当煤柱宽度为6 m时，巷道变形破坏最严重，其煤柱帮及实体煤帮的变形量分别为400 mm 及600 mm；当煤柱宽度为8 m 时，巷道煤柱帮及实体煤帮的变形量分别为220 mm 及190 mm；当煤柱宽度为10 m 时，巷道煤柱帮及实体煤帮的变形量分别为500 mm 及200 mm；当煤柱宽度为15 m 时，巷道煤柱帮及实体煤帮的变形量分别为590 mm 及270 mm。

2.2.5 煤柱宽度确定

根据数值模拟结果可知，6 m 宽度的煤柱整体破坏严重，不具备承载能力；煤柱宽度为10 m、15 m 时，煤柱内的垂直应力均高于原岩应力，且裂隙闭合区（弹性核区） 的范围较大，承载能力较高，但应力峰值位置距离巷道较近，巷道两帮变形破坏程度较高，使得维护较困难；煤柱宽度为8 m时，煤柱内存在弹性核区，整体较完整，具备一定的承载能力，且变形量相对较小。为尽可能的回收煤炭资源并保证巷道的稳定性，结合煤层实际地质条件，确定合理的煤柱宽度为8 m。

3 现场实践

根据现场条件提出了81215 回风巷小煤柱掘巷的支护方案，巷道支护断面如图6 所示。

图6 巷道支护断面图Fig.6 Roadway support section diagram

顶板布置6 根高强锚杆，直径为22 mm，长度2 400 mm，间排距为850 mm×1 000 mm；顶锚索采用直径18.9 mm，长度6 300 mm 的钢绞线，每排布置2 根，间排距为1 700 mm×1 000 mm，并用钢筋梯子梁连接锚索；两帮支护锚杆与顶板一致，间排距为800 mm×1 000 mm，每排布置5 根，并搭接钢筋梯子梁。

对81215 回风巷掘进时的围岩位移情况进行监测，监测结果如图7 所示。

图7 巷道位移监测曲线Fig.7 Roadway displacement monitoring curve

由图7 可知，81215 回风巷按照8 m 小煤柱掘进期间，顶底板的累计移进量为174 mm，两帮累计移进量为75 mm，围岩整体变形量较小，且未出现采空区有害气体溢出的现象，保证了矿井的安全高效生产。

4 结 论

（1） 根据阳煤集团二矿81215 综放工作面的实际工程地质条件，通过极限平衡理论计算得出合理的小煤柱宽度为6.57～7.68 m。

（2） 通过UDEC 数值模拟软件分析了不同煤柱宽度下81215 回风巷煤柱内的应力分布、裂隙发育特征及巷道变形规律，确定出合理的小煤柱宽度为8 m。

（3） 现场实践结果表明，8 m 宽度的小煤柱能够有效承载覆岩压力，掘进期间81215 回风巷的变形量较小，且未出现采空区有害气体溢出的现象，保证了矿井的安全高效生产。