深部厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

 米文宝1  魏  辉2

（1．河北煤矿安全监察局冀东监察分局，河北省唐山市，063000;2．山东科技大学矿业与安全工程学院，山东省青岛市，266000）

 摘  要  针对唐山煤矿Y485里工作面沿空掘巷留设煤柱尺寸问题，分析了采空区侧的支承压力分布规律，初步探究了沿空侧最优掘巷位置。通过FLAC3D数值模拟对采空区侧垂直应力分布进行模拟计算，得出了应力降低区范围为0～8 m，并分别模拟了不同煤柱宽度下垂直应力的分布规律，综合考虑确定工作面沿空掘巷煤柱留设尺寸为5m，不仅可以保持巷道的稳定性，还可以最大限度的减少煤炭资源的损失。

关键词  深部开采厚煤层  沿空掘巷煤柱尺寸数值模拟 中图分类号  TD353 

 在深部开采过程中，受到高地应力、高地温、高瓦斯等影响，开采难度逐渐增加。因此，为了最大限度地开采深部煤炭资源，必须进行合理的开采设计，将遗留的煤炭量减小到最低程度。在深部工作面开采期间，相邻工作面之间的煤柱留设问题在开采设计中尤为重要，煤柱宽度留设不合理将会影响工作面采掘期间巷道的稳定性。煤柱宽度较小时，巷道对支护的要求就会提高；煤柱宽度较大时，不仅增加煤柱的承受载荷，而且浪费宝贵的煤炭资源。尤其是在深部厚煤层矿井中，煤柱留设不合理会导致巷道变形加剧、支护困难、冲击地压频发等问题，严重影响工作面的安全开采。

 目前，已有许多专家对煤柱的留设宽度进行了研究，但大都是常规情况下的煤柱留设宽度，对深部厚煤层条件下的煤柱留设宽度研究较少，而具有深部和厚煤层双重复杂条件下的工作面煤柱留设将会更加困难，不仅要考虑最优留设宽度，还要防止深部高地应力导致冲击地压的发生。本文以唐山矿Y485里工作面为研究对象，对工作面之间的煤柱最优留设宽度进行研究，在保证巷道稳定的前提下，设计最优的煤柱尺寸，确保工作面的安全开采，并节省大量煤炭资源。

1  工作面概况

 唐山矿Y485里工作面开采深度平均850 m，开采煤层为8#、9#合采煤层。工作面走向长度762.5 m，倾向长度130 m。煤层厚度平均7m，煤层平均倾角240，普氏硬度系数1. 97。煤块呈条带状，破碎后呈不规则状断口，煤层中含有夹矸，局部受断层及沉积影响夹石厚度可达到3.5 m以上，煤体含水率较低，吸水性极差。Y485里工作面相邻为Y486里工作面采空区，具体工作面布置如图1所示。

 煤层直接顶为4.9 m的深灰色粉砂岩，脆性较大，上部含植物化石；基本顶为4.7 m的深灰色细砂岩，成份以石英为主，局部含钙质，较坚硬；煤层直接底为1.4 m的碳质泥岩；基本底为平均7.5 m的粉砂岩。

2  采空区侧向应力分布规律研究

 工作面回采完毕后，在工作面采空区附近会出现较高的应力集中现象。因上覆岩层的自重作用和采动影响，工作面顶板较坚硬的岩层会出现不同程度的断裂，这种断裂过程直接影响着采空区周围巷道的稳定性。若在采空区侧布置下一个工作面的服务巷道，巷道受到顶板自重和开采扰动，就会出现更加复杂的应力叠加现象。此时，下个工作面巷道的开挖位置就显得尤为重要，采空区和巷道之间的小煤柱则是整个开挖的关键，不仅要维持巷道的稳定性，还要使巷道承受较小的集中应力，防止开采过程中发生冲击地压事故。

 根据采空区侧煤体的受力大小，从采空区侧依次分为应力降低区(A)、应力急增区(B)、应力缓降区(C)和应力原始区(D)，如图2所示。

 从图2中可以看出，在采空区顶板侧向压力影响下，靠近采空区边缘的A区域煤体处于破碎状态，煤体承受的应力不大；随着煤体的破碎程度逐渐减小，煤体所承受的应力急速增加，B区域的应力能够达到2～3倍的原岩应力；C区域因远离采空区，煤体大部分保持弹性变形状态，在侧向支承应力达到峰值后随距离增加开始缓慢下降，逐渐降低至原始应力区D并保持稳定。

 若要在采空区侧进行下个区段的巷道掘进工作，首先要保证巷道的稳定性，最好将巷道布置在低应力区。若在A区域的I位置开挖巷道，巷道位于侧向应力的内应力区，属于应力降低区，在此区域内布置巷道对煤体支承压力的影响较小，引起的围岩应力扰动和支承压力变化不大，不会引起冲击地压事故。若在应力增高区B内Ⅱ位置布置巷道，巷道周围的集中应力与采空区侧的应力相互叠加后，形成更高的支承压力，巷道在高应力和煤柱应力的双重作用下，就容易发生煤柱失稳，造成巷道的冲击破坏。

 因此，为保证巷道位置的合理选取，就要研究采空区与巷道之间煤柱的留设宽度，将巷道布置在低应力区内，不仅能够保持巷道的稳定性，还可以减轻巷道的维护工作。

3  沿空掘巷煤柱宽度模拟分析

3.1  模型的建立

 利用FLAC3D数值模拟软件模拟采空区侧沿空掘巷留设不同宽度煤柱时，巷道的变形情况及稳定性。根据Y485里工作面的实际地质情况，建立模型尺寸为200 mX50 m X 50 m（长×宽×高），共划分为500000个网格单元。巷道埋深按850 m计算，在模型顶板施加上覆岩层自重应力21. 25 M Pa，模型四周边界为单约束边界，下部边界为全约束边界，即水平和垂直方向均固定，上部边界为自由边界。采用摩尔一库伦准则进行计算，具体岩层力学参数如表1所示。

3.2采空区侧垂直应力分析

 Y486工作面回采结束后，根据模型计算得出工作面采空区侧垂直应力的分布规律如图3所示。从图中可以看出，在采空区边缘处煤体的垂直应力最小，随着距采空区边缘距离的增大，应力逐渐增加，在距采空区边缘约8～9 m处垂直应力有小幅度下降，此区域为应力降低区；在距采空区约16 m的位置达到应力最大值为45.3 M Pa，应力集中系数达到2. 38。垂直应力在距采空区40 m左右时达到原岩应力状态。根据模拟结果初步判断，巷道应布置在采空区侧应力的内应力场中，在考虑巷道宽度的基础上，煤柱的宽度应小于7～8 m，使得巷道位于低应力区内。

3.3煤柱留设宽度分析

 根据沿空侧巷道支护原则，为使锚杆等起到支护作用，煤柱不应小于3m。故模拟煤柱宽度分别为3m，4m，5m，6m和7m情况下煤柱的垂直应力分布，确定最优的煤柱尺寸。在煤柱内布置测点进行监测，得出如图4所示的不同煤柱宽度下的垂直应力分布曲线。

 由图4可知，煤柱宽度3m时，因靠近采空区，煤柱破碎程度较大，所承受的垂直应力为14.2 M Pa;煤柱宽度4m时，煤柱上方垂直应力稍微增加，大约为17 M Pa；煤柱宽度5m时，垂直应力最大值达到18.5 M Pa，接近原岩应力；当煤柱宽度为6～7 m时，因距采空区较远，煤柱所承受的载荷逐渐增大，最大值分别为21.6 M Pa和23.7 M Pa，均超过原岩应力，若支护不合理或受采动影响，可能会发生冲击地压。综合以上分析，考虑锚杆支护的极限长度和资源的合理利用，选择宽度为5m的煤柱，不仅能够最大程度维持巷道的稳定性，消除巷道冲击危险，而且可以节省较多的煤炭资源。

4  工程验证

 为验证煤柱留设宽度的合理性，在Y485里工作面运输巷采用十字布桩法进行了围岩变形观测，对顶底板及两帮变形量进行了实时监测，在约30 d时巷道顶板下沉量为150 mm，两帮移近量为230 mm，围岩变形量基本保持稳定，能够满足矿井正常生产要求。

5  结论

 (1)根据采空区侧垂直应力的理论分析，在靠近采空区一定范围内因煤体破碎程度较大，存在应力降低区，考虑煤柱受力原则和巷道便于维护，应将巷道布置在低应力区内，而避免将巷道布置在应力增高区，加大巷道的受压载荷，增加支护难度。

 (2)利用数值模拟分析了采空区垂直应力分布曲线，得出应力降低区范围在0～8 m范围内，并分别研究了煤柱宽度为3m、4m、5m、6m和7m条件下煤柱的垂直应力变化情况，在巷道支护要求和资源合理利用的前提下，确定沿空巷道留设煤柱的最优尺寸为5m，能够最大程度的保持巷道稳定，减小了煤炭资源的损失，保证了巷道的安全使用。