迎采迎掘掘进工作面两顺槽煤柱留设的研究与实践

摘要：随着我国采矿技术的发展、矿山生产机械化水平的大幅提高、围岩控制技术的高速进步，区段煤柱宽度的留设也发生了多种变化。针对不同的地质条件，不同的矿井采用不同的采煤方法，受通风、掘进、运输、支护技术等条件制约，单巷布置和双巷布置、留设宽煤柱和留设窄煤柱等在我国均有采用，以下介绍了煤柱的留设宽度在综放工作面回采与邻近工作面两顺槽掘进的合理距离确定，即确保了生产的接续，又减少了采动影响对巷道造成的变形带来的维护费，从而实现了效益最大化。

关键词：煤柱、煤柱留设、迎采迎掘、采动影响、沿空送巷、沿空留巷

中图分类号： P618 文献标识码： A

1 工程地质条件概述

1113回采工作面两顺槽布置在4-2煤层中，采用综采放顶煤开采方式回采4-1、4-2煤层，采放平均煤层厚度共计9-11m；工作面长度150m，走向长1920m，煤层埋深480m。煤层走向NE75°～90°、倾向SE0°～15°、倾角2°～7°。4-1、4-2煤层间赋存有一层炭质泥岩层，探测表明，这层矸石层从下山巷道开窝处向开切眼方向厚度有1.5m逐渐降低为0.2m左右。4#煤层直接顶为粉砂岩，完整性较好，平均厚度为1.5m；基本顶为中粒砂岩，部分区域含有裂隙水，平均厚度为8.1m；直接底为炭质泥岩及泥岩互层，平均厚度为5m；基本底为泥岩，平均厚度为40m，底板岩层含有较高的粘土类矿物成分，雨水易于软化，崩解，形成松散体。

1113工作面位于一采区西翼，东为一采区下山保护煤柱；西为采区边界煤柱；南为正在回采的1111综放工作面；北为未开采区。一采区单翼布置，采掘接替紧张，在1111工作面回采工程中，1113工作面必须准备完毕；1113工作面上下顺槽需要相向1111回采工作面掘进，临近1111工作面侧的1113回风顺槽受1111工作面全程采动影响，动压作用明显，围岩变形量大。

1113工作面回采巷道设计为矩形断面，依据4-1、4-2煤层之间夹矸层厚度变化，回采巷道分别布置在不同层位。1113工作面的位置及顶底板岩性分别如图1-2 （4#煤层煤系柱状图）。

图1-1 工作面工程平面图

图1-2 4#煤层煤系柱状图

2 我矿区段煤柱宽度现状

我矿从1103、1105、1107、1109、1111工作面迎采沿空掘巷，煤柱20-40m不等分别进行了实验及巷道观测，最终确定25-30m确定为合理区间，取得良好经济技术的效果。迎采面沿空掘巷与邻近工作面回采相向进行，巷道进入邻近工作面超前支承压力影响范围时，巷道围岩压力逐渐增加，但不会影响巷道围岩结构的稳定。随着采、掘工作面在窄煤柱两侧相交，巷道围岩结构发生剧烈调整，由沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理得知：采空区基本顶发生破断形成的关键块在回转力矩作用下发生回转下沉，在窄煤柱靠近采空区侧形成侧向支承压力，引起窄煤柱和沿空掘巷剧烈变形。但是在沿空掘巷围岩大结构的保护之下，采用合理的支护技术，沿空掘巷依然可以取得良好的控制效果。

2.21113工作面区段煤柱宽度设计验证

2.2.1 煤柱宽度设计原则

1）煤柱两侧分别是采空区和巷道，受两侧采动应力作用，两侧分别发育有破碎区。煤柱宽度必须保证两侧破碎区不贯通，煤柱中间要有一个稳定，完整的区域来长久的保持煤柱的稳定。

2）煤柱必须要有一定的密实区域来防止漏风渗水，确保煤柱采空区侧的积水不进入巷道中引起吐水事故；同时巷道内的风流不进入煤柱采空区侧引起采空区遗留煤炭发生自燃，诱发灾害。

3）巷道要避免布置在采空区侧向支承压力剧烈作用区域。可以布置在应力降低区或者原岩应力区。

4） 煤柱受采动应力作用强烈，必须采取有效的支护措施来确保煤柱的稳定。煤柱的支护是巷道承载结构的重点区域。

2.2.2 数值计算法煤柱宽度设计验证

2.2.2.1 数值模拟软件简介

本次模拟采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析，FLAC是FAST LAGRANGIAN ANALYSIS OF CONTINUA的缩写，是由美国明尼苏达ITASCA咨询集团公司开发的一个三维有限差分程序，目前已经成为国际岩土力学界的主导计算软件，它是二维有限差分程序FLAC 2D的扩展，能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动。FLAC 3D采用的是显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够很准确模拟材料的塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

FLAC 3D程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含10种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相耦合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。

2.2.2.2 数值计算模型建立

根据钻孔柱状图，建立1113工作面回风顺槽留煤柱迎采掘巷的数值模型，研究1113回风顺槽在不同宽度煤柱下的变形破坏特征。模型尺寸为200m×100m×80m(长×宽×高)，共划分网格数为34000个。模型采用Mo-Rh力学模型。模型上部边界施加压力使其等同于上覆岩层的重量（500m），约为12.5Mp，底边界垂直方向固定，左右及前后边界水平方向固定，水平侧应力系数为1.5。建立的数值模型如图2-1所示。

图2-1数值模型

2.2.2.3 数值模拟方案

为了研究不同宽度下，迎掘巷道的变形特征，本模拟采用13组方案，以期对1113回风顺槽的布置选取到一个合适的位置，实现良好的技术经济效果。

具体方案表2-1所示。

表2-1 数值模拟方案

2.2.2.4 迎掘期间煤柱内集中应力分布特征

在煤柱横向断面的中间位置垂直巷道断面方向布置若干个监测点来监测煤柱内垂直应力随着临近工作面回采，煤柱内垂直应力的变化特征。图2-2是不同宽度煤柱内最大垂直应力集中系数（集中系数等于侧向集中应力峰值与原岩应力的比值）。

图2-2 不同宽度煤柱中垂直应力峰值

由图2-2可知：

1）当煤柱宽度小于7m时，煤柱内的垂直集中应力小于原岩应力。这说明煤柱在临近工作面全程采用作用下，经历老顶岩层破断、回转、下沉等全过程，煤体变形剧烈，裂隙发育，已经丧失了增强弹性核区域，承载能力较低，不能作为稳定的承载结构。

2）当煤柱宽度由7m逐渐增加到20m过程中，煤柱中的应力集中系数逐渐增大到2.68。这说明这个宽度范围内的煤柱在临近工作面全程强动压作用下，宽度越大，煤柱中的稳定区域越发育，它的承载能力越强。

3）当煤柱宽度由20m增加到28m过程中，煤柱中的应力集中系数大幅降低，。这说明煤柱宽度增加使得煤柱的承载能力变得更为强大，煤柱中的承载区域范围变大，侧向集中应力被部分平均化，集中系数减小，但承载的垂直应力确实增大的。

4）当煤柱宽度大于28m后，煤柱内的应力集中系数随着煤柱宽度的增加呈现出稳定变化的趋势，集中系数维持在1.4左右。这说明采空区侧向支承应力的影响大致在28m以内。超过28m范围之外，巷道受迎采动面的采动影响就较为微弱了，巷道围岩处在一个近似原岩应力的环境中。

2.2.2.5 迎掘期间巷道表面位移分布特征

在回风顺槽的断面内，取顶板中心，两帮中间3个位置作为巷道表面位移的监测点。图2-3就是巷道在临近工作面全程采动作用下，巷道顶板，煤柱帮，实体煤帮的变形量。

图2-3不同宽度煤柱回风巷道变形量

有图2-3可知：

1）当煤柱宽度小于8m时，巷道变形量整体较大。随着煤柱宽度的增大，顶板的变形量变化不大，煤柱帮变形量缓慢减小，二实体煤帮则发生明显降低。这说明这部分围岩变形主要是巷道老顶岩层破断、回转下沉带来的给定变形。

2）当煤柱宽度由8m增加到15m时，巷道的变形量明显降低，但数值依然较大。这一段巷道主要受侧向集中应力作用，围岩应力较大；虽然煤柱宽度的增加使得巷道围岩承载结构的稳定性有所提高，但是变形依然较大。

3）当煤柱宽度由15m增加到20m时，巷道顶板，煤柱帮的变形有增加的趋势。这说明这说明侧向集中应力在这一范围内对巷道的破坏作用最为强烈，这一区域应该避免布置巷道，避免高应力作用下巷道围岩发生大变形及长时间的流变。

4）当煤柱宽度大于20m时，巷道的变形明显减低，但是当煤柱宽度增加到25m之外时，巷道变形量的降低幅度明显降低，逐渐趋稳。这说明25m之外是回巷布置的良好区域，这一范围内受迎采工作面侧向应力作用大幅降低。

3结论

我矿水文条件复杂，4#煤层的老顶是一层稳定的中粒砂岩，有丰富的裂隙水，采区水仓排水量较大。同时地质探测资料表明在一采区的1101、1103、1105、1107、1111、1113工作面处在一个凹槽范围内，周围已经回采过的采空区积水以及老顶裂隙水都会朝这个区域集中，1113工作面将面临更为严峻的排水压力。为了保障生产安全，区段煤柱宽度设计上要避免采用裂隙比较发育的窄煤柱，防止1111工作面采空区积水进入1113工作面，酿成安全事故。

根据采区已回采的1103、1105、1107、1109、1111工作面，区段煤柱宽度分别为25、40、30、30、20m，矿压观测资料得出1103、1105，1107、1109、1111工作面回风顺槽在整个服务期间顶板下沉量小于200mm，两帮移近量小于500mm，锚杆、锚索等支护体极少量破断损坏，巷道无需返修就可满足使用要求。1111工作面回风顺槽相向1109回采工作面掘进，在1109全程采动应力作用下，顶板锚杆、锚索大量破断，顶板出现大量网包，局部区域顶板发生小面积冒顶；两帮移近量较大，其中煤柱帮变形量约为实体煤帮的1.4倍；后期需要扩帮才能满足使用要求。

根据我矿井水文条件，区段煤柱采用稳定性较高，中间分布有完整煤体墙的宽煤柱较为合适。已回采的矿压资料表明，20m宽的煤柱使得回巷处在侧向应力集中区域的影响范围，巷道支护难度较大，支护成本较高，且可能返修影响生产。由此适宜的区段煤柱宽度需要大于21m。结合数值计算的结果，确定1113工作面区段合理煤柱宽度为25m。