沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定

沿空掘巷小煤柱留设宽度合理确定

李刚

淮北矿业股份有限公司童亭煤矿生产技术管理部安徽淮北235137

摘要：为了提高煤炭回采率和提高矿井安全高效生产，以某矿10#煤组1012首采工作面为研究对象，采用UDEC对不同煤柱宽度下的顶板移进量和底板的变形量进行分析，并结合现场实测的数据对巷道掘进时期和回采时期的顶板下沉量、底板位移量、实体煤帮移进量进行了分析，通过数据对比得出10#煤组1012首采工作面沿空掘巷小煤柱留设的合理宽度。研究表明：工作面小煤柱合理宽度为5m。该研究结果对类似煤层开采条件下的区段煤柱宽度合理留设具有重要参考意义。

关键词：沿空掘巷；小煤柱；数值计算；巷道围岩

0前言

沿空掘巷是我国煤矿回采巷道布置和维护的一种技术，其目的是为了将巷道与采空区隔离[1-3]。把巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，便于巷道维护，减少变形量[4]。其中关键是严格控制煤柱宽度。煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑形，容易失稳，片帮严重，若煤柱过大，则回采巷道布置在压力增高区内，将使巷道压力大，支护困难[5-7]。

王卫军等[8]得出基本顶给定变形下综放沿空掘巷合理窄煤柱宽度的计算公式；王德超等[9]通过采空区侧向支承压力影响范围确定区段煤柱合理留设宽度；张科学等[10]通过分析垂直应力场呈现三角形的形状确定出沿空掘巷窄煤柱留设宽度。本文通过对10#煤组1012工作面回风沿空掘巷的数值模拟分析了不同煤柱宽度下的顶板位移和底鼓变形，并结合实测数据分析掘进和回采时期的顶板位移、底鼓变形和实体煤帮的变化，得出了本矿井地质条件下的沿空掘巷小煤柱留设宽度的合理性。

1工程概况

1012工作面井下标高-400m，其地面标高+27.13m，巷道标高-373.4--425.3m。西邻皮带大巷，东面古河床冲刷无煤带。工作面走向长1530m-1620m，平均1575m；倾斜宽164m-166m，平均165m。煤厚1.0-4.7m，平均在3.6m左右。该面煤层倾角为4°-10°，平均6°左右，该面内煤层结构简单，但局部含一层夹矸，顶板岩性多为灰色粉砂岩，局部含一层灰黑色泥岩伪顶，底板多为粉砂岩和泥岩。该面整体东西低，中间高，呈背斜构造，断层走向多与机、风巷斜交,受背斜及构造影响，煤层倾角起伏可能较大，对正常回采将造成一定的影响。

工作面布置图

2煤柱宽度确定原则

煤柱是围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定巷道的稳定性和煤矿开采中安全问题。煤柱宽度应满足以下几个原则：

①巷道处于应力降低区。采空区侧向支承压力分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，煤柱及巷道的稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区[11]。

②煤柱内部有稳定的区域。由于受上区段工作面侧向支承压力作用和巷道掘进影响，煤柱两侧出现破碎区不可避免，如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，那么就应该只当增加煤柱的宽度，并做好支护工作[12]。

③有利于巷道围岩稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎、实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小[13]。测量数据表明，煤柱较小时，随煤柱宽度增大，巷道围岩变形量减小，煤柱宽度达到一定值后，随煤柱宽度增大，巷道变形量增加；因此，并不是煤柱越小围岩越稳定，煤柱宽度有一个合理的值。

④采出率高。煤柱越小，采出率越大，在满足巷道围岩稳定的前提下，尽可能减小煤柱宽度。

3数值模拟

3.1数值模型建立

为了探索出既利于安全生产又能尽量减少煤炭的损失的煤柱宽度。以10#煤组1012首采工作面建立数值模型，根据现场观测数据和相关地质资料建立UDEC顶板和底板数值模拟模型。

根据研究内容计算得出所需建立模型的大小，模型的高度为100m，长度为150m。此模型模拟采深400m。为了便于研究，我们将上部的载荷看做均布载荷，上部的边界条件为应力边界条件。下部边界条件简化为位移边界条件。

边界条件：地下巷道简化为平面应变问题，边界上作用有铅直原岩应力P0和水平原岩应力λP0；模型下边界位移全约束，岩体取二维平面应变元；对模型内部各岩层计算时考虑重力，屈服准则选用摩尔库仑准则。

3.2煤柱宽度对顶板的影响

从煤柱的位移场分布特征来看，煤柱宽度影响巷道围岩位移场分布，煤柱对巷道围岩变形

的作用随煤柱宽度的变化而变化。

掘进时期：巷道顶板下沉量随煤柱宽度增大不明显。顶板下沉量从总体看煤柱侧大于煤体侧。2m时煤柱侧顶板下沉量为64.7mm，3m时煤柱侧顶板下沉量为57.7mm，5m时煤柱侧顶板下沉量为29.3mm，7m时为32.6mm，10m时煤柱侧顶板下沉量为36.7mm，15m时37.5mm。图中可以看出2m和3m煤柱巷道顶板下沉量较大，5m和7m时巷道顶板下沉量比较小，5m时顶板下沉量最小。

回采时期：巷道顶板下沉量2m时达最大，煤柱侧其值为389.2mm；煤柱宽度5m时最小，其值分别为333mm、煤柱宽度7m比煤柱宽度5m时顶板位移量稍大些，其值为339.7mm，然后随煤柱宽度增大而增大，然后趋于稳定,煤柱宽度10m时顶板位移量为370.3mm，煤柱宽度15m时顶板位移量为376.2mm。

3.3煤柱宽度对底鼓的影响

掘进时期：巷道下不同煤柱宽度底鼓量相差不是太大，仅24cm左右；从图中可以看出：煤柱宽度为5m时底鼓的位移量最小，煤柱宽度为3m时底鼓位移最大，煤柱宽度为2m、7m、10m和15m时，虽然都有变化，但变化相差很小。在巷道中间位置底鼓位移量最大，煤柱宽度2m、5m、7m、10m、15m时，其值分别为195.1mm、191.2mm、215.3mm、198.3mm、186.9mm。

回采时期：巷道煤柱侧底鼓量大于煤体侧底鼓量，巷道底鼓量随煤柱宽度增大先减小后增大。煤柱宽度2m时巷道煤柱侧底鼓量为423mm，煤柱宽度3m时煤柱侧底鼓量为351mm，煤柱宽度5m时煤柱侧底鼓量较大时底鼓量为115mm，煤柱宽度7m时巷道煤柱侧底鼓量为113mm,煤柱宽度10m时巷道煤柱侧底鼓量为34mm，煤柱宽度15m时巷道煤柱侧底鼓量为28mm。与掘进时期相似的时，巷道中间位置底鼓位移明显比较大，回采时期煤柱宽度2m、3m、5m、7m、10m、15m时，巷道底鼓位移量分别为686mm、702mm、662mm、650mm、705mm、702mm。

通过数值模拟结果分析：在掘进过程中，对于这种现象的解释是煤柱较小时由于受到二次采动的影响早已破碎，回采时由于超前支承压力和侧向固定支承压力的叠加作用使已经破碎的煤柱不在具有支承的能力，而上覆岩层关键块在侧向和后方回转力距的共同作用下其下沉量较大。从图中数据可以看出并非煤柱越宽巷道顶板下沉量越小，当煤柱宽度为5m时为最佳煤柱留设宽度。煤柱宽度2m和3m时，由于宽度较小受采动影响，煤柱破碎，煤柱侧底板已相对抬起。

3.4现场矿压观测及分析

1）巷道掘进时期影响时间大约26天，围岩变形稳定所需时间较短，在其期间顶板的最大下沉量为35.4mm，顶板下沉速度最快5mm/d，最慢为0.3mm/d；平均下沉速度为2.1mm/d；底鼓量的最大值为32.1mm，底鼓的速度最大为4.8mm/d，最小值为0mm/d，平均为1.5mm/d；实体煤柱帮移进量为56mm，实体煤帮的移进速度最大为7.6mm/d；在掘进后的第16d，对底板进行清理，采用硬化方式（硬化厚度200mm）这样能使巷道底鼓控制在合理的范围。

2）在巷道掘进后的一段时间后，道处于稳定时期，此时顶板的最大下沉量为36.5mm，顶板最大下沉速率为0.3mm/d，最小的下沉量为0mm；最大底鼓量为32mm；两帮的围岩移进量大于顶底板之间的移进量，并且，煤柱帮的移进速度大于实体煤帮的移进速度，这是因为煤柱内的围岩应力对其的巷道产生一定的影响，但是整体上对围岩的影响并不是太大，围岩变形也不是太严重，范围也不是太大。此时表明所留设的煤柱是安全可行合理的。

4.结论

（1）无论是掘进还是回采期间，煤柱宽度对巷道顶板下沉量都会产生影响，而且煤柱宽度对巷道顶底位移量影响较大。但通过模拟可以看出，并不是煤柱越宽，顶板下沉量越少，而是在一定范围内煤柱增宽能减少顶板下沉量，随着煤柱变宽，顶板下沉反而有增大趋势。

（2）数值模拟结果得出：掘进期间煤柱宽度3m时巷道有稍量底鼓量。回采期间巷道煤柱宽度较小时，由于煤柱已破碎不具有支承能力，巷道跨度相对加大，底板在水平力的作用下底鼓量大；煤柱宽度5m时，底鼓量较小。巷道煤柱侧底鼓量大于煤体侧底鼓量；煤柱宽度大于10m后软煤巷道底鼓量煤体侧大于煤柱侧。回采期间2m和3m宽度煤柱顶底板下沉量比较大，10m和15m煤柱的顶板下沉量稍小些，5m和7m顶板下沉量相对于前者更小，可以看出合理的煤柱宽度反而比较宽的煤柱控制顶板下沉效果更好。

（3）现场监测表明了，所留设5m煤柱宽度是合理的，巷道掘进时期顶底板最大移进量35.4mm，实体煤帮移进量55mm。留设5m煤柱巷道变形量较小。合理的煤柱宽度不但保证煤体自身的稳定性，而且使巷道围岩变形量有效控制，对顶板和底鼓的维护及防治减少困难。有利于巷道稳定，能保证矿井安全生产高效进行，也有重要的工程和经济意义。

参考文献

[1]柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3475-3475.

[2]李彦,杨明东.沿空掘巷护巷煤柱稳定性分析[J].煤炭技术,2017,36(8):58-60.

[3]郭兵兵,孙光中.留小煤柱沿空掘巷合理时空关系研究术[J].煤炭技术,2017,36(5):33-35.

[4]杨科,谢广祥.窄煤柱综放巷道围岩应力场特征[J].采矿与安全工程学报,2007,24(3):311-315.

[5]袁得江,高明仕,何双龙.中厚煤层沿空掘巷窄煤柱稳定性控制技术[J].煤矿安全,2011,42(12):42-44.

[6]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].中国矿业大学出版社,1994.

[8]王卫军,侯朝炯,李学华.老顶给定变形下综放沿空掘巷合理定位分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2001,16(2):1-4.

作者简介

李刚（1980.10—），男，安徽淮北，本科，工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作