回采巷道煤柱穩定性影響研究

區段煤柱是保證相鄰工作面回采安全的隔離體，起著隔離采空區和維護回采巷道的作用；它與回采巷道支護、維護成本、安全生產、煤炭資源回采率密切相關。本文以某礦實際為工程背景，通過理論計算與數值模擬方法得出某礦不同開采情況下、不同煤柱尺寸對煤柱穩定性的影響。

1 煤柱寬度尺寸計算

1）工程概況：某礦現開采煤層為石炭二疊系煤層、結構復雜，含4-10層夾石，巖性一般為炭質泥巖、高嶺質泥巖、粉砂巖。煤層厚度12.14m～23.43m，平均16.44 m。老頂為中粗砂巖、含礫粗砂巖，直接頂為粉、細砂巖。采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤的采煤方法，采高3.9m，放煤厚度11.08m，采放比約1∶2.84，上覆巖層有侏羅系的采空區，工作面間煤柱尺寸45m。

2）煤柱尺寸理論計算：對于采準巷道的護巷煤柱，采空區間(空區側)與回采巷道在煤柱兩側分別形成一個寬度為R0與R的塑性變形區，當煤柱寬度B小于煤柱兩側形成的塑性區寬度R0與R之和時，即煤柱兩側形成的塑性區相貫通時，煤柱將失去其穩定性，出現崩塌現象。因此，護巷煤柱保持穩定的基本條件是：煤柱兩側產生塑性變形后，在煤柱中央仍處于彈性應力狀態，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核。對一次采全厚的綜放工作面護巷煤柱，彈性核的寬度取兩倍的巷道高度即可。故綜放工作面護巷煤柱保持穩定狀態的寬度為：

結合某礦的實情，將 h=3.6 m，λ=1.17,k=1.5～2，K=2～3，γH=13.8 MPa，Px=0，M=15.3 m，C0=2.05 MPa，φ0=55°帶入上式，得某礦煤柱穩定狀態的寬度B≥（30.1～32.9）m。

2 煤柱寬度數值模擬

1）模型建立：根據8106工作面及其鄰近面的基本情況，利用FLAC3D數值模擬軟件對不同寬度的煤柱進行模擬，得出不同寬度煤柱（25m、30m、35m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m）的塑性區、應力、位移分布，確定能夠維持煤柱和巷道穩定的煤柱寬度。工作面采空區采用完全垮落式處理。模型斷面圖略，模型尺寸及單元節點數目見表1。FLAC3D建模圖略。模型底部為固定邊界；頂部為自由邊界，模型四周邊界施加橫向約束，縱向自由。再者，結合該礦地應力測量結果及模擬工作面布置方位（見圖1），經計算可確定在模型X軸方向施加21.2～16.5 MPa的梯度應力；模型Y軸方向施加6.5～5.1 MPa的梯度應力；模型上部施加11.3 MPa的等效載荷，Z軸方向設定自重載荷。

2）煤柱穩定性的模擬結果分析。煤柱兩側巷道掘進后的煤柱穩定性模擬結果分析：a.煤柱尺寸對煤柱塑性區間的影響。根據煤柱兩側巷道掘進后的煤柱彈塑性區分布情況圖，分析可知，巷道兩側塑性區寬度都為2 m；隨著煤柱寬度的增加，巷道兩側及其煤柱的塑性區范圍保持不變。b.煤柱尺寸對垂直應力峰值的影響。根據煤柱兩側巷道掘進后的煤柱垂直應力分布情況圖，分析可知，巷道兩側的垂直應力峰值16.4～16.7 MPa；隨煤柱寬度的變化，應力峰值基本保持不變。c.煤柱尺寸對巷道兩幫與頂底板位移量影響：圖2為煤柱兩側巷道掘進后的巷道位移分布，巷道的兩幫和頂板位移量不受煤柱寬度的影響，頂板下沉量為150～158 mm，回采側幫和煤柱側幫移近量分別為86～90 mm和92～100 mm。

圖1 地應力方位與工作面對應圖

表1 區段煤柱數值模擬參數

圖2 不同煤柱寬度巷道的位移

圖3 不同煤柱寬度圍巖彈塑性區分布

圖4 不同煤柱寬度圍巖垂直應力分布

圖5 煤柱應力分布曲線

圖6 不同煤柱寬度巷道位移

一側采空時煤柱穩定性模擬結果分析。a.煤柱尺寸對煤柱塑性區間的影響：圖3為一側采空時不同寬度煤柱彈塑性區分布情況，結論如下：煤柱寬度25 m時，采空區側的塑性區寬度17 m，巷道側為6 m，煤柱中間彈性核區寬度2 m，彈性核區寬度較小。隨著煤柱寬度增加，煤柱內塑性區范圍減小。30 m煤柱時，采空區側的塑性區寬度15 m，巷道側為4 m，煤柱中彈性核區寬度11m，煤柱塑性區范圍減小。煤柱寬度繼續增大后，煤柱內塑性區的范圍基本不變，彈性核區逐漸增大。模擬表明：煤柱的寬度存在臨界值；超過臨界值后，雖然煤柱更加穩定，有利于巷道的維護，但增加了煤炭資源的損失。b.煤柱尺寸對垂直應力峰值的影響。見圖4和圖5。當煤柱寬度較小時，煤柱應力曲線為單峰曲線，25 m煤柱和30m煤柱的應力峰值分別為49 MPa和44.5 MPa；隨著煤柱寬度繼續增加，應力曲線轉變為雙峰曲線，巷道側煤柱應力峰值逐漸減小；當煤柱寬度達到60 m時，應力峰值為30.3MPa。由計算得到煤柱的極限抗壓強度約為31MPa，當煤柱垂直應力高于煤柱的極限抗壓強度時，煤柱將會失穩。煤柱寬度小于55m時，垂直應力遠大于31 MPa，煤柱不穩定；當煤柱寬度達到55 m時，應力峰值31.3 MPa，煤柱接近于穩定狀態；當煤柱寬度增加到60 m時，應力峰值28.5 MPa，煤柱處于穩定狀態。現場煤柱寬度為45 m，煤柱應力峰值37.4 MPa，大于煤柱的極限抗壓強度，圍巖變形嚴重，若不采取措施煤柱不會穩定，容易引起鄰空巷道圍巖變形與失穩。c.煤柱尺寸對巷道的兩幫與頂底板位移量的影響。進行數值模擬過程中，對巷道表面位移進行跟蹤觀測，給出了不同煤柱尺寸時的巷道表面位移變化狀況，見圖6。不同尺寸煤柱的巷道表面位移量都較大，巷道變形嚴重；隨著煤柱尺寸的增加，巷道表面位移也隨著近似線性降低；煤柱寬度60 m時，巷道頂板下沉量、回采側幫移近量、煤柱側幫移近量分別為339mm、136mm、230mm，巷道位移量相對較小。

3 結論

1）由同寬度煤柱模型的彈塑性區、垂直應力、表面位移分布規律可知：煤柱寬度較小時，煤柱應力曲線為單峰曲線，應力峰值較高，巷道變形嚴重；隨著煤柱寬度的增加，煤柱應力曲線由單峰轉變為雙峰，應力峰值逐漸降低，巷道變形量逐漸減小。

2）當煤柱寬度達到60 m時，煤柱巷道側應力峰值28.5MPa，低于煤柱的極限強度，煤柱處于穩定狀態。因此，若不采取措施，煤柱寬度達到60 m時，巷道和煤柱才能達到穩定狀態。

3）依照理論計算煤柱寬度、數值模擬結果、現場實際寬度對比可知：單純依靠煤柱寬度增加來保持回采巷道穩定性，由此造成煤炭損失巨大；故有必要保證回采巷道圍巖穩定的前提下，采取合理措施優化煤柱尺寸、提高煤炭的采出率，創造更大經濟價值。對于煤柱尺寸優化應從緩解煤柱的高應力狀態方面入手：一是加強回采巷道本身的支護強度，提高其自身的維穩能力；二是改善煤柱的受力狀態，緩解采空區側覆巖運動對其穩定性造成的影響。例如爆破切頂卸壓，在頂抽巷中布置鉆孔，利用爆破削弱采空區與待采區的頂板聯系，緩解煤柱受力。

[1]陳炎光,陸士良,侯朝炯,等.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994:136-141.

[2]奚家米,毛久海，楊更社，王進鋒.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應用[J].采礦與安全工程學報，2008,25（4）：400-403.

[3]錢鳴高,石平五.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業出版社,2003.