沿空留巷煤柱合理預留寬度研究

李慶卯

（霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 前言

我國國土面積遼闊，資源儲量豐富，但整體呈現不均態勢，據統計我國煤炭資源的年開采量及使用量均位居世界前列，同時考慮到我國實際國情及發展趨勢，在未來幾十年里，我國煤炭主體地位不會發生改變。在2020 年，全世界煤炭的需求量超過90 億t，而我國的煤炭需要求量占據全國的5 層以上，且在2040 年占比仍不會小于40%。在多年的開采過程中，眾多開采難題制約著發展，其中沿空留巷煤柱留設穩定性是一個較為突出的問題。沿空留巷是指利用上個采空區的運輸巷道或者回風巷道為下個工作面開采提供條件的一種技術，但受到工作面采動影響，此時留巷極易發生垮落變形，留巷煤柱上方覆巖在達到承載極限后會發生斷裂，嚴重影響煤柱穩定性[1-2]，造成巷道報廢，嚴重困擾著煤礦安全生產，所以針對沿空留巷煤柱留設寬度進行研究對于留巷成功與否十分關鍵[3-4]，此前眾多學者對此進行過一定的研究，本文基于前人的研究，對煤柱合理留設寬度進行分析，為礦井安全提升，效益提升做出一定的貢獻。

1 模擬研究

工作面在回采后，此時的煤柱的應力分布情況不僅與巷道掘進和工作面回采支撐壓力有關有關，同時其與煤柱寬度有著密切的關系，煤柱與煤柱寬度有關，支撐壓力與煤柱寬度存在三種情況。

1）當煤柱寬度較小時，支撐壓力范圍會超過煤柱寬度，煤柱塑性區域增大，由于回采及掘進的影響使得煤柱兩側的支撐壓力暴增，煤柱承擔載荷較大，隨著支撐時間的不斷推移，此時由于覆巖和采動雙重作用下，煤柱穩定性進一步被破壞，但塑性區域發生貫通時，煤柱無法承擔載荷，從而發生失穩破壞，嚴重威脅著礦井安全。

2）當煤柱寬度較大時，此時支撐 壓力影響范圍小于煤柱寬度，在巷道回采及掘進雙重作用下，此時煤柱兩側的支撐壓力值仍會升高，達到支撐壓力的峰值，但此時煤柱中間部位仍為彈性區域，煤柱的支撐壓力呈現出類似“馬鞍”形態，能承擔較大荷載，此時巷道穩定性得到有效保障。

3）當煤柱寬度極大時，此時支撐壓力影響范圍遠小于煤柱壓力影響范圍，巷道掘進和回采的影響下煤柱兩側的支承壓力仍會升高，達到支撐壓力峰值時，此時的彈性核區的支撐壓力原低于原巖應力。在支撐壓力作用下，煤柱會出現破壞區、彈性區、塑性區、原巖應力區，此時煤巖的邊緣塑性區隨著支撐壓力的增大逐步擴展，但由于彈性核區寬度很大，所以能夠有效支撐，但考慮到此時的經濟成本，此方法并不適用。

以山西焦煤霍州煤電辛置煤礦2-212 綜采工作面為研究背景，巷道的尺寸：頂寬5.2 m，底寬5 m，左右幫分別為2.5 m 和2.2 m 的梯形，支護采用錨網支護：頂板錨桿采用Φ24 mm×2 000 mm 的錨桿，排距為0.8 m，共布置6 根，兩端錨桿與巷幫角度為20°布置；巷道的左右幫錨桿長采用Φ24 mm×2 400 mm 的錨桿，共布置3 根，幫部錨桿的排距為0.85 m，左右幫距離頂板0.5 m，角度為20°布置，右幫底端錨桿距底0.8 m，左幫距底板1 m，在不影響計算的情況下適當進行模型的簡化，對模型進行力學參數設定及邊界條件設定，完成上述設定后對合理煤柱寬度進行模擬分析，選擇煤柱寬度3 m、5m、7m、9m、12 m、15 m、18 m和20 m 八種方案，分別對不同煤柱寬度下水平及垂直應力分布進行分析，應力曲線如圖1 所示。

圖1 不同煤柱寬度下水平及垂直應力曲線

由圖1 中可以看出，隨著煤柱留設寬度的不斷增加煤柱內部的垂直應力呈現出逐步增大的趨勢，當煤柱留設寬度為3～5 m 時，此時相比較而言垂直應力整體變化趨勢不大，而當煤柱留設寬度增大至5～9 m時，此時煤柱的應力從10 MPa 增大至16 MPa，繼續增大煤柱留設寬度至9～18 m，此時煤柱內的垂直應力快速增大，最大應力達到29.8 MPa，當煤柱留設寬度增大至20 m 時，此時的最大應力變化相比與煤柱寬度18 m 時并無明顯變化，同時煤柱留設寬度為5 m時，此時的煤柱中部會形成一定面積的應力核，長。觀察水平應力隨煤柱寬度變化趨勢可以看出，隨留煤柱寬度增加，水平應力呈現逐步增大的趨勢，在煤柱寬度3～5 m時，水平應力增大的幅度較小，而在煤柱寬度7～15 m，水平應力急劇增加，水平應力過大極易造成煤柱發生剪切破壞，發生失穩，煤柱寬度為15～20 m，增幅又變緩。

對煤柱寬度4 m、6 m、10 m、15 m 時的巷道兩幫水平位移量進行研究，繪制不同煤柱寬度下的煤柱水平位移曲線如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，隨著煤柱寬度的增大，此時隨著煤柱寬度的增大，煤柱變形量呈現先減小后增大的趨勢，當煤柱寬度為4 m 時，此時煤柱處于巷道側向采動壓力降低區，由于采動的影響此時的煤柱變形較為嚴重，煤柱失去承載能力破壞，此時煤柱的變形為幾種煤柱寬度下的最大值，當煤柱寬度增大至10～15 m 時，此時由于處于側向壓力的峰值區，使得其變形量仍然較大，明顯大于煤柱寬度6 m 時的煤柱變形量，所以最終確定柱寬度取6 m，在煤柱寬度6 m時，此時煤柱雖會受到一定的側向采動影響，但由于其處于采動影響的應力降低區位置，并不會出現較大的失穩變形，對于巷道穩定性的維護較為有利，同時煤柱寬度為6 m 時，經濟效益較為合理，所以選取煤柱寬度6 m 能夠滿足礦井安全生產的需求。

2 工業應用

對煤柱留設寬度6 m 進行工業驗證，巷道的頂錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm 左旋高強錨桿，每排布置6 根，設置間排距為800 mm×800 mm，兩外側錨桿向外成15°打設，采用尺寸為150 mm×150 mm×10mm的高強度拱形托盤。巷道的兩幫采用Φ20 mm×2 200 mm 高強玻璃錨桿，每排4 根，間排距800 mm×800 mm，錨桿垂直墻體打設。巷道的頂錨索采用Φ17.8 mm×8 300 mm 的錨索，沿頂板“2—1—2”布置，錨索間排距為3 000 mm×800 mm，同樣配套高強度托盤，同時在頂部鋪設金屬網片，網格為100 mm×100 mm，煤柱幫采用Φ15.24 mm×4 300 mm 的錨索，沿巷道走向布置，配套使用300 mm×300 mm×16 mm 托盤。在巷道每隔20 m 布置監測點，用于監測巷道圍巖變形量，監測的數據如圖3 所示。

圖3 監測數據曲線

由圖3 可以看出，在沿空掘巷期間，此時巷道圍巖表面的變形情況呈現明顯的階段性特征，在不同時間段內變化趨勢大不相同，在（0～160 m 范圍內）此時為變形劇烈階段，此時工作面采空區頂板劇烈活動，未完成穩定，巷道圍巖受到掘進的影響出現大面積的塑性變形，甚至破壞，圍巖的變形也呈現急劇變化趨勢，巷道圍巖表面圍巖變形大多產生與本階段。在此階段內，巷道的兩幫及頂底板移近量分別達到218 mm、139 mm，此時觀察變形速度曲線可以看出，此時的頂底板及兩幫變形速度均較大，分別為7 mm/d 和11 mm/d 左右，兩幫的移近量中主要以煤柱移近為止，煤柱移近占據整體兩幫變形的6 成左右。在160 m 范圍外時，此時為相對穩定階段，此時的采空區頂板完全垮落，活動穩定，圍巖的應力環境得到有效改善，圍巖局部趨于穩定，在此階段整體圍巖變形不會發生較大的波動，圍巖的變形速率保持在2 mm/d 左右，對整體累積變形量影響較小。整體觀察巷道圍巖表面的圍巖變形情況可以看出，整體變形保持在可控區域，對于整體留巷較為有利，所以最佳煤柱寬度6 m 方案可行。

3 結論

1）根據對不同煤柱寬度下圍巖垂直應力及水平應力呈現隨著煤柱留設寬度的不斷增大的趨勢。

2）隨著煤柱寬度的增大，此時隨著煤柱寬度的增大，煤柱變形量呈現先減小后增大的趨勢，煤柱寬度為6 m 時煤柱位移量最小。

3）在煤柱寬度6 m 下，隨著距離采空區距離的減小，巷道圍巖表面的變形情況呈現明顯的階段性特征，但整體變形量處于可控范圍。