窄煤柱沿空掘巷合理煤柱寬度的確定

張文峰

（大同煤礦集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

采用雙“U”型通風方式時，工作面回采的同時，往往將工作面的外圈巷道通過一定的技術措施保留下來，當作下一個工作面的外圈巷道，即在兩個工作面中間保留一條巷道，供兩個工作面使用，中間保留下來的巷道要為兩個工作面開采服務，服務年限相對較長，且同時又要經歷兩次采動影響，若中間巷道兩側保護煤柱的寬度留設或設計不合理、不科學，中間預留巷道將受到兩側工作面采動高應力疊加作用的影響，使其維護相當困難。

預留巷道保護煤柱寬度對巷道穩定性的影響主要有兩個方面：一是煤柱寬度影響巷道圍巖應力；二是煤柱寬度影響巷道圍巖完整性。具體可分為：圍巖的應力狀態、礦壓顯現規律和窄煤柱的穩定性原理。

1 試驗巷道生產地質條件

15104工作面開采煤層為15#煤層。煤層厚度較穩定，煤質比較松軟，15#煤層煤厚平均4.5m，煤層中部存在0.8m夾矸、泥巖，煤層傾角0～8.3°，平均傾角2.5°。

由15104工作面內鉆孔資料可知：15#煤直接頂以砂質泥巖～粉砂巖為主，厚4.6m。老頂為粗粒砂巖，厚7.65m，淺灰色，厚層狀，以石英為主，長石次之，含巖屑，以大型鍥狀交錯層理為主。直接底為厚3.5m的泥巖，黑色，厚層狀。老底為厚8.0m粉砂巖，黑色，薄層狀，含泥巖包體。

沿煤層頂板掘進15104工作面瓦排尾巷，巷道斷面為矩形，高2.8m，寬4.0m，斷面積11.2m2。總體趨勢為一背斜構造，北翼坡度較緩為0.4°左右，坡長579m；南翼坡度較大為3.2～8.3°，坡長415m，落差32m。15104工作面回采后，15104瓦排尾巷被留巷作為下一工作面15102瓦排尾巷繼續使用，15102工作面采用“兩進兩回”巷道布置方式，距瓦排尾巷遠離15104工作面采空區一側留窄煤柱掘進15102工作面回風巷，回風巷為矩形斷面，寬為4.8m，高為3.6m，斷面積17.28m2。15104、15102工作面位置關系如圖1所示。

圖1 15102工作面平面圖

2 窄煤柱寬度的數值模擬計算

2.1 模型的建立及計算方案

上區段回采后，瓦排尾巷一側為距采空區的大煤柱，一側為實體煤。本區段工作面回風巷布置在上區段瓦排尾巷實體煤一側，巷道掘進后形成的區段煤柱受上區段側向支承壓力和巷道掘進支承壓力的影響。

圖2 數值模擬力學模型

模型采用摩爾—庫侖（Mohr-Coulomb)屈服準則：

式中：

σ1-最大主應力；

σ3-最小主應力；

c-材料的粘結力；

φ-材料的摩擦角。

當fS＜0時，材料將發生剪切破壞。

影響窄煤柱穩定性的因素較多，考慮基本頂弧形三角塊結構形成前掘巷，煤柱寬度合理范圍，應避開回采15102形成的應力峰值。從15104工作面回采對瓦排尾巷的影響情況看，瓦排尾巷由于受15104工作面采動支承壓力作用，巷道變形量較大。為了留巷成功并為15102工作面通風服務，在15104工作面回采時對瓦排尾巷用木垛進行加強支護。根據以往25m煤柱留巷的經驗，瓦排尾巷受二次采動影響期間巷道圍巖變形劇烈，給安全生產帶來不便，采用窄煤柱留巷，將巷道布置在支承壓力降低區，有利于巷道維護。為了確保窄煤柱留巷的成功實施，需要對瓦排尾巷進行加固支護，提出采用全錨索支護技術，即采用加長錨固方式的高預緊力高強度大延伸率錨索支護。

根據巷道開挖應力分布研究，為防止巷道周邊應力集中，煤柱設計寬度應不小于掘進巷道荒寬的一倍。根據15102工作面實際生產情況及地質條件，在巷道頂板采用全錨索支護的情況下，只考慮煤柱寬度對巷道變形的影響，分別留設6m、7m、8m、10m、12m、14m、20m煤柱，各方案按照相應煤柱寬度模擬計算。

2.2 窄煤柱內應力場分布特征

取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內應力場分布情況。掘進期間沿煤柱寬度方向的水平應力分布見圖3。

圖3 掘巷期間煤柱內水平應力分布

煤柱邊緣因巷道掘進、開挖影響，水平應力減小。實驗表明，巖石強度在三軸狀態下明顯大于二軸狀態，所以煤柱內水平應力是影響煤柱強度的重要因素。由圖3可見，煤柱由6m逐步增大到20m時，水平應力在煤柱內的分布特征顯示，其應力為“單峰”現象，存在一個先增加后減小的過程。煤柱寬度從6m開始增加，煤柱內水平應力開始逐漸增大，且峰值出現在煤柱中部，煤柱寬度為6m時水平應力峰值僅為8MPa，20m時則達到了18.2MPa，煤柱內水平應力的增加顯著提高了煤柱承載強度，有利于煤柱的穩定及留巷。

2.3 煤柱內垂直位移場分布特征

回風巷掘進期間煤柱在垂直方向上的位移特征如圖4所示。

由圖4可見，本區段回風巷掘進后，區段護巷煤柱隨即產生，根據煤柱內位移變化規律可知：煤柱整體不同程度存在下沉現象，其中兩側比較嚴重，尤其瓦排尾巷一側最突出。煤柱垂直位移最大的位置不是在煤柱表面，也不是在煤柱中部，而是距煤柱表面2～3m范圍內，說明幫錨桿可以有效控制煤柱的水平位移，但很難控制煤柱的下沉作用。隨著煤柱寬度的增加，煤柱下沉量明顯減小，煤柱寬度小于7m時，煤柱最大下沉量為22mm，寬度為8～12m時，煤柱最大下沉量減小為13mm，煤柱大于14m后，最大下沉量約為6mm。

圖4 掘巷期間煤柱內垂直位移分布曲線

2.4 煤柱寬度對瓦排尾巷變形影響分析

瓦排尾巷的受力環境和15102區段煤柱一樣，同樣受兩次采動影響。從根本上說煤柱的穩定最終是為瓦排尾巷服務。

煤柱寬度影響巷道圍巖應力狀態、位移場分布。巷道圍巖變形與煤柱寬度的關系見表1和圖5。

表1 回采期間煤柱寬度與巷道圍巖變形關系

圖5 不同煤柱寬度掘進期間瓦排尾巷圍巖位移

由表1、圖5可見，煤柱寬度對瓦排尾巷圍巖變形的影響為：本區段回風巷掘進期間，瓦排尾巷以頂板下沉和下幫變形為主。隨著煤柱寬度的增加，頂板下沉和底鼓逐漸減小，下幫變形也逐漸減小，上幫變形先增大后減小。巷道掘進期間，瓦排尾巷圍巖變形量較小，而工作面回采過程，瓦排尾巷圍巖變形強烈。

（1） 頂板下沉：隨煤柱寬度增大巷道頂板下沉量減小；煤柱寬6～7m時下沉量為700mm；煤柱寬8～10m時下沉量降低為500mm；當煤柱為12m時出現一個極大值，大于14m后下沉量明顯減小且變化不大，約為200～300mm。

（2）底鼓：煤柱6～7m時底鼓量逐漸增加，7m時達到最大值1550mm；之后煤柱寬度增加底鼓量持續減小，8～10m時減小為1200mm，大于12m變化不明顯。

（3） 兩幫移近量：隨煤柱寬度的增加上幫變形先增大后減小，最大變形量為煤柱寬7m時197mm，煤柱大于12m后變形量減小為87mm；隨煤柱寬度增大下幫水平位移減小，煤柱為6m時最大值730mm，10m時出現變形極大值600mm，大于14m后下幫變形減小為152mm，隨煤柱繼續增大位移量變化不明顯。

3 結論

采用數值模擬的方法對沿空掘巷煤柱內應力及位移進行了研究。

（1）窄煤柱寬度小于7m時，煤柱內應力較小且分布不規則，說明煤柱破壞嚴重，承載力低。

（2）15102回風巷掘進期間，煤柱瓦排尾巷一側變形比回風巷要大，但變形量較小，說明受影響較小。

（3）巷道表面變形情況：本區段回采期間，瓦排尾巷底鼓量隨煤柱寬度的增加先減小后增加，窄煤柱幫也有同樣的變形規律，當煤柱寬度為8～10m時，瓦排尾巷變形量出現一個極小值。

（4）綜合確定15104瓦排尾巷和15102回風巷之間合理窄煤柱寬度為8m，圍巖變形量較小，窄煤柱內部有較大的穩定區域，承載力較強，巷道處于較有利的圍巖環境中。