沿空掘巷煤柱合理宽度的研究与实践
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沿空掘巷煤柱合理宽度的研究与实践
【摘要】本文以某矿的采煤工作面为研究对象，采用理论计算与数值计算相结合的方法，设计出沿空巷道合理煤柱合理的留设宽度，并在此基础上提出了合理的沿空掘巷锚梁网支护对策，确定了强化巷帮支护强度，顶板支护以锚索支护为主、锚杆支护为辅。
通过现场实施证明，沿空巷道煤柱留设的宽度及采取的支护对策是科学的、合理的，并且能够有效的控制巷道变形量，为矿井的和谐建设提供了有力的理论基础。
【关键词】深井煤矿沿空巷道煤柱宽度锚梁网支护
煤炭作为我国的基础能源，在我国一次能源消费结构中占有较大的比重，约为65%，而且这一状况还会持续一段时间。
现如今，我国煤炭资源采出率不高，约为40%，而且还存在严重的煤炭资源损失现象，这一切均需要煤炭资源的充分开采。
而沿空掘巷能够可以减少煤柱资源的损失，但沿空掘巷时，留设一定的煤柱，能够避免有害气体、老空积水等侵入巷道，最重要的是，还能够提高劳动效率，降低巷道维护成本，因此，留设煤柱对于煤炭安全高效开采具有重要意义。
又由于留设煤柱的宽度既能够对煤柱本身以及巷道围岩稳定性造成一定影响，又会影响煤炭的采出率，所以合理确定沿空掘巷煤柱宽度具有重要的研究和实践意义。
本文以某矿1492（1）工作面为例，来研究沿空掘巷时煤柱宽度的确定。
1 工作面概述
某矿1492（1）工作面走向长度为1462m，倾向为230m。
该工作面正采11—2煤层，该煤层多为块状煤。
该煤层平均厚度为1.7m，平均倾角为7°。
巷道具有埋深大（约为857m）、构造应力高等特点。
在距煤层顶板较近的区域，多为薄且稳定性较差的岩层。
在距煤层顶板3.1m左右的区域，存在厚度约为0.49m的煤层，因此，煤层顶板为复合顶板。
相邻采区对该工作面产生较大的采动影响。
2 关于煤柱宽度的理论分析与计算
2.1 理论计算
按照极限平衡理论，可以确定最小的合理煤柱宽度B，不妨用x1（m）表示两相邻区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度，x2（m）表示锚杆锚入煤柱深度（需要考虑加大控帮深度，一般取2.8m），x3（m）表示安全富余量，其计算公式为：x1+x2+x3
其中，x1的确定公式为：x1
其中，m为煤层厚度，2m；A为侧压系数，且，泊松比μ为0.3；j0为煤体内摩察角，27°；C0为煤体粘聚力，取1.5MPa；k为应力集中系数，取3；H为巷道埋深，为857m；为上覆岩层平均重力密度，为0.023MN/m3；P0为两相邻
区段平巷支护结构对煤柱的支护阻力，为0。
x3的确定公式为：。
通过上述理论计算，可确定煤柱的合理宽度为m。
2.2 数值模拟计算
（1）建立计算模型。
结合该工作面地质条件，以煤柱宽度变化对围岩稳定性的影响为模拟对象。
模型实体单元为8个节点，6个面，各节点均有X、Y、Z 三个自由度。
同时对巷道围岩和煤柱采用均布网格划分。
在进行数值计算时，可选取沿空煤柱宽度为2，4，6，8，12m五种，而后对这五种煤柱宽度对围岩产生的影响情况进行分析比较后，确定最有利于围岩稳定的沿空煤柱宽度。
本文从塑性区分布角度来研究煤柱合理宽度。
（2）模拟结果分析。
1）若所留设的煤柱宽度为12m时，则煤柱内垂直方向上会形成“马鞍形”应力分布，煤柱中部属于弹性核区，此时煤柱受到足够的支承能力，因而处于稳定状态之中，但却损失了较多的煤柱资源。
2）若所留设煤柱宽度为8m时，煤柱就会发生塑性屈服现象，而煤柱中的弹性核区也不稳定，此外，应力峰值会出现在煤柱上方，所以煤柱受到较大的压应力。
3）若煤柱宽度为6～8m时，煤柱会出现塑性屈服现象，但当巷道掘进后，应力峰值马上会作用到实体侧煤层内。
由岩石应力应变曲线可知，岩层峰值点后还存在一定的残余强度。
如果采取措施加固煤柱，煤柱仍可处于稳定状态。
4）若煤柱宽度为2～4m时，实体侧煤层中会出现垂直应力峰值，再加上受到支承压力作用，煤体发生破坏，具有较低的承载能力。
3 支护设计方案及效果研究
经过上述理论计算分析，煤柱宽度为7m。
同时支护应满足以下要求：一是加固巷帮；二是主要采用锚索支护，辅之以锚杆支护。
该巷道具有较广的围岩塑性区，难以充分发挥锚杆的作用，因此，应采用锚索支护。
经过对监测结果分析之后发现，掘进影响期的最大变形速度是37mm/d左右，而稳定期则为2.3mm/d左右。
顶板总变形量为560mm，巷帮总变形量为633mm。
由此可见，留设煤柱宽度为7m是比较恰当的，有效控制了围岩变形。
4 沿空掘巷煤柱合理宽度的实践
（1）通过上述的数值模拟计算，分别对沿空掘巷合理煤柱的留设宽度进行了计算并进行了详细的分析，实践接过证明在深部巷道条件下，煤柱合理的宽度应为7m。
如煤柱宽度太小的话，煤柱的在侧向支承压力作用下将会变得松散破碎，承载能力就会急速的降低，也不利于锚杆测时间；如果煤柱的宽度太大时，尽管巷道的稳定性得到了有力的控制，但是相对来说资源浪费是非常严重的。
（2）本文提出了沿空巷道的支护对策。
一是要强化煤柱侧支护强度，这样就有力的保证了锚杆控帮的效果；二是要提高锚索支护密度，深部沿空巷道的围岩塑性区范围将明显增大，锚杆的支护作用将会显著的降低，因此说必须依靠锚索以大预紧力减缓、减小顶板变形扩张。
现场监测结果表明该支护对策能够有效控制巷道变形。
（3）随着煤矿开采深度的不断增加，沿空巷道的合理煤柱留设问题还有待进一步研究，必须结合矿井的实际，从根本上寻求解决沿空巷道变形控制难题的途径和科学方法。
5 结语
经过理论计算与数值模拟分析，并对监测结果分析，可以确定，该工作面沿空煤柱留设宽度为7m，较为合理。
而后采用锚索支护，加固煤柱，可以有效控制围岩变形。
参考文献：
[1]何满潮，袁和生，靖洪文等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.
[2]易恭猷，王连国.软岩支护现状分析及对策[J].锚杆支护，2001（1）.。
