高工作护巷煤柱宽度研究

护巷煤柱宽度是矿井开拓和工作面回采的重要参数，护巷煤柱的稳定性直接影响到巷道的使用效率和维护成本、工作面的正常生产和安全管理以及煤炭的采出率。对于回采巷道的护巷煤柱而言，其宽度越大，对巷道的稳定性维护越有利，但会直接降低煤炭资源的采出率。这一矛盾在大采高工作面更值得关注。因此，兼顾巷道稳定性维护和煤炭采出率，研究大采高工作面回采巷道护巷煤柱的确定方法显得尤为重要。本文以康河煤矿６１０３大采高工作面为研究对象，通过理论计算和模拟分析，确定了护巷煤柱的合理宽度，为大采高工作面安全高效生产提供了理论依据。

１工作面概况

康河煤矿６１０３工作面位于６＃煤层，处于石炭系上统太原组第二岩段上部，工作面长度２００ｍ，推进长度１５００ｍ。６＃煤层结构简单，煤类单一，整个工作面煤层稳定，平均厚度５．１ｍ；煤层倾角０～３°，硬度系数ｆ０＝２．５，密度１．２８ｔ／ｍ３；煤层埋深１８０～２２０ｍ。直接顶和直接底均为砂质泥岩，厚度分别是３ｍ和２．５ｍ，基本顶为粗砂岩，厚度１０ｍ，基本底为粉砂岩，厚度６ｍ。工作面采用双巷布置，如图１所示。采高４．５ｍ，循环进尺０．８５ｍ；工作面采用一次采全高采煤方法，全部垮落法顶板管理方式。

２理论计算

合理护巷煤柱设计是一个比较复杂的问题，它受开采深度、煤层厚度、巷道高度和煤岩层的力学性质等诸多因素影响［１－２］，国内外还没有一种能适应不同条件的完善的设计理论和方法。目前国内外确定护巷煤柱宽度常用的理论计算方法主要有载荷估算法和塑性理论计算法三种。

２．１载荷估算法根据国内外研究资料，护巷煤柱所承受的载荷是由煤柱上覆岩层重量及一侧或两侧采空区上覆岩层转移到煤柱上的部分重量引起的［３－４］，如图２所示。

２．２塑性理论计算护巷煤柱一侧为回采空间，一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑因此，护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤层开采高度的２倍。目前，在护巷煤柱问题的研究中，煤柱保持稳定状态的宽度一般表示为：

３数值模拟计算选取非连续介质模型的离散元数值计算软件ＵＤＥＣ３．０（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＤｉｓｔｉｎｃｔＥｌｅｍｅｎｔＣｏｄｅ）进行数值模拟计算，分析不同宽度保护煤柱对回采巷道围岩变形量的影响。

３．１建立模型根据地质条件，简化后建立平面模型，模型尺寸（宽×高）２００ｍ×４６．５ｍ，上边界载荷按采深２００ｍ计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。煤体划分为１ｍ×１．５ｍ块体，直接顶划分为１ｍ×２ｍ块体，基本顶划分为５ｍ×１０ｍ的块体，直接底划分为１．２５ｍ×４ｍ块体，建立的数值计算模型如图４所示。回采巷道宽×高为５ｍ×３．５ｍ，塑料网、锚杆、锚索联合支护，基本支护参数：顶部锚杆为Φ２０ｍｍ的高强度螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚深２．１５ｍ；顶部锚索为Φ１５．２４ｍｍ的钢绞线，锚固深度７ｍ；帮部锚杆为Φ１８ｍｍ的高强度螺纹钢锚杆，树脂药卷锚固，锚深１．９５ｍ。计算时考虑留设不同宽度的煤柱对回采巷道变形的影响，选取的煤柱宽度分别为６ｍ、１０ｍ、１４ｍ、１６ｍ、１８ｍ、２０ｍ、２２ｍ、２６ｍ和３０ｍ。数值模拟计算过程为：建立模型→原岩应力计算→掘巷支护→应力平衡→工作面回采→工作面采动影响计算。各岩层岩石力学参数如表１所示。

３．２模拟结果分析图５为不同煤柱宽度下巷道的变形量绘制出的线，可以看出：总体关系是随着煤柱宽度的增加，围岩变形量逐渐减小。在煤柱宽度小于１８ｍ区域，随煤柱宽度的增加，围岩变形量减小幅度较大；在煤柱宽度大于１８ｍ区域，围岩变形量随煤柱宽度增加也有所减小，但变化量很小，说明增大煤柱宽度对改进巷道支护效果影响不大，此时对巷道变形量起主导作用的是巷道的支护体系。考虑经济效益，确定护巷煤柱的宽度为１８ｍ。

４工程实践

通过理论计算和数值模拟，确定回采巷道护巷煤柱宽度为１８ｍ。在康河煤矿６１０３工作面开采过程中，对宽度为１８ｍ的煤柱的稳定性进行了现场观测，结果表明：巷道基本稳定，未进行大的维护，围岩变形量较小，能保证回采工作的安全进行。这说明煤柱的留设是合理、可行的，同时反映出理论计算及模拟结果与实际情况较吻合。

５结语

大采高工作面回采巷道护巷煤柱稳定性直接影响着巷道的维护效果，进而关系到工作面安全生产的进行。以康河煤矿６１０３大采高工作面为研究对象，通过载荷估算、塑性理论计算和数值模拟计算，得出了安全合理的护巷煤柱宽度，并通过现场实践，论证了计算结果的准确性，从而为现场生产提供了技术支持，也为类似条件下大采高工作面护巷煤柱宽度的确定提供了理论依据。