深部矿井沿空掘巷煤柱留设宽度确定
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摘 要：煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。文章通过理论分析和数值模拟相结合的方法，确定了深部矿井沿空掘巷的煤柱合理宽度为6m，现场试验表明，留设6m煤柱时沿空帮移近量最大为184mm，实体帮移近量最大为95mm，顶板下沉量最大为78mm，底臌量最大为134mm。巷道围岩整体变形量不大，表明煤柱宽度留设6m是合理的。
关键词：深部；沿空掘巷；煤柱宽度；数值模拟
引言
保留煤柱宽度与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关，煤柱宽度选择的正确与否，对保证巷道稳定至关重要[1]。我国目前部分煤矿仍存在依靠经验来确定煤柱宽度，缺乏科学性和针对性，往往不是造成煤炭资源的浪费，就是巷道在掘进和回采过程难以维护，甚至出现冒顶等事故，如何兼顾资源回收率和巷道稳定，合理确定煤柱宽度，一直是众多学者关注的焦点[2]。
目前，确定综放沿空掘巷小煤柱尺寸采用的经验类比法，存在很大的盲目性和局限性。因此，如何合理、科学地确定综放沿空巷道小煤柱的尺寸，对于综放开采安全生产具有重大意义[3]。文章以巨野矿区某深部矿井沿空掘巷为工程背景，采用理论分析、现场实测的研究手段，确定深井综放沿空掘巷合理煤柱留设宽度，期望对工程实践有一定的指导意义。
1 矿井概况
矿井平均开采深度1000m，回采煤层厚8.50～10m，平均9m，普氏系数f=1.59，密度1.36g/cm3，倾角2°～13°，平均倾角5°，具有弱冲击倾向性。煤层赋存稳定，结构复杂，中间夹0.10～0.35m厚的泥岩或炭质泥岩。煤层直接顶为粉砂岩，厚19.87m，裂隙发育，具水平层理；基本顶为细砂岩，厚4.2～4.5m，整体性强；伪底为泥岩，厚1.45m；直接底为粉砂岩，裂隙发育；基本底为细砂岩，厚3.35m，主要成分为石英长石及暗色矿物，硅质胶结；覆岩的最上层为数百米的表土层。
2 沿空掘巷煤柱留设原则
小煤柱是综放沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定综放沿空掘巷的稳定性，采用锚杆支护时小煤柱宽度应满足以下几个原则。
巷道处于应力降低区。当巷道位于应力降低区时，小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。
小煤柱内部有稳定的区域。上区段工作面开采和巷道掘进，使小煤柱两侧出现破碎区，锚杆锚固在破碎煤体中的锚固力小，锚杆支护作用降低，巷道维护困难，因此，应保证煤柱宽度能够将锚杆锚固在稳定煤体中。
有利于巷道围岩稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎、顶煤及实体煤帮也破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。因此，并不是小煤柱越小围岩越稳定，小煤柱宽度有一个合理的值。
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，尽可能减小小煤柱宽度。
3 煤柱宽度确定
3.1 煤柱宽度理论分析
要保持综放沿空掘巷的稳定性，煤柱的稳定与否是关键。
根据极限平衡理论，合理的最小煤柱宽度：
B=1.15（x1+x2） （1）
其中，B为煤柱宽度，m；
x1为锚杆有效长度，m；
x2为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性破坏区宽度。
（2）
其中，M为上区段平巷高度，m；A为侧压系数；C0和？渍0为煤层内聚力和内摩擦角；k为应力集中系数；H为巷道埋深，m；？酌为岩层平均容重，MN/m3；P0为巷道的支护强度，MPa。
由现场地质条件及实测数据可知，锚杆有效支护长度x1=2m，上区段平巷高度M=3.2m，侧压系数A=0.4，煤体的内聚力C0和？渍0内摩擦角分别为2MPa和30°，应力集中系数k=2.0，巷道埋深H=800m，岩层容重？酌=0.025MN/m3，巷道的支护强度P0=0.25MPa。
将上述参数代入式（1）和（2）可以求得：深井综放开采过程中，上区段开采在煤柱中产生的塑性区破坏区宽度为3.08m，合理的最小煤柱宽度B为5.8m。
3.2 煤柱宽度数值模拟
利用FLAC3D数值软件，根据工作面工程概况，取典型地质断面和实际地应力进行建模计算，分析上工作面回采后，煤体内侧向支承压力分布规律。
整个模型尺寸宽×高×厚为200m×120m×8m，模型上部边界施加的载荷按采深800m计算，底部边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，地应力根据实测地应力进行施加，竖向地应力为23.4MPa，X向水平地应力为20.6MPa，Y向水平地应力为35.8MPa，模型上部施加经应力补偿得到的竖向均布面荷载，补偿值为23.2MPa。
采用摩尔库伦本构模型进行计算，各地层岩性材料参数如表1所示。
表1 各地层的材料参数
数值模型在初始地应力平衡之后，进行工作面的回采，工作面开采尺寸为宽×高为96m×8m，回采过程一次完成。
从表中可以看出，侧向支承压力分布可以分为应力降低区（0～10m），应力升高区（10～56m）和原岩应力区（56m以外）。由数值模拟分析可得，沿空掘巷应布置在应力降低区（10m以内），结合沿空掘进巷道断面尺寸，建议煤柱留设宽度在6m内。
根据理论分析和数值模拟结果，确定沿空掘巷煤柱留设宽度为6m。
4 现场试验
根据前文的研究成果，留设6m煤柱宽度进行沿空掘巷，采用高强高预应力锚杆支护系统对顺槽进行支护。每隔100m设置一个监测断面，监测巷道掘进期间巷道围岩变形量。巷道掘进过程中，监测断面距迎头30m范围内，巷道表面位移变形速率较大，帮部的围岩变形速率达到50mm/d；之后围岩变形缓慢增加，监测断面距迎头120m后围岩变形逐渐趋于平缓，巷道帮部的变形速率仅为5mm/d。至掘巷完成时，沿空帮移近量最大为184mm，实体帮移近量最大为95mm，顶板下沉量最大为78mm，底臌量最大为134mm，。巷道围岩整体变形量不大，表明煤柱宽度留设6m是合理的。
5 结束语
根据理论分析和数值模拟结果，最终确定小煤柱的合理留设宽度为6m。现场试验结果表明，留设6m煤柱宽度时，沿空帮移近量最大为184mm，实体帮移近量最大为95mm，顶板下沉量最大为78mm，底臌量最大为134mm，。巷道围岩整体变形量不大，表明煤柱宽度留设6m是合理的。
参考文献
[1]常聚才，谢广祥，杨科.综放沿空巷道小煤柱合理宽度确定[J].西安科技大学学报，2006，28（2）：226-230.
[2]奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2008，25（4）：400-403.
[3]聂建伟，王庆牛，徐俊峰.深井孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度的确定[J].煤炭工程，2012（6）11-13.
作者简介：刘敬斌（1984，12-），男，助理工程师，大学，研究方向：采矿工程。