煤柱寬度對煤巷穩定性的影響

暴雪峰

（晉城無煙煤集團公司寺河煤礦，山西沁水048200）

為了應對采動高應力的作用，國內外廣泛采用的是留煤柱維護巷道的方法，主要有兩種趨勢，一種留寬煤柱方式，目的是為了避開采動支承壓力的峰值，降低采動高應力對巷道的破壞；另一種為窄煤柱護巷，將煤柱設計在壓力降低區內來保證巷道的穩定，后者主要應用于回采巷道[1-5]。以往國內外主要用理論計算、經驗估值等方法來對煤柱的寬度進行確定，但是影響護巷煤柱穩定性的因素很多，這些方法局限性較大，只有在類似的地質條件中才有借鑒的意義，相比傳統計算方法，數值模擬的優勢在于能考慮眾多的影響因素，并且可以通過對不同參數下的結果比較分析進而得到一個合理的結果，為優化巷道布置和確定合理煤柱寬度提供了參考依據。

1 工程地質概況

晉煤集團寺河煤礦位于嘉豐鎮，屬于沁水煤田的一部分，它整體地質情況呈現東南高、西北低，并且西北部分是向斜構造軸區，井田內主要可開采的為一水平的3#無煙煤，其上覆巖層的厚度為320～502m，地壓8.00～12.55MPa。煤層巷道從上到下依次是細粒砂巖、泥巖、煤層，它老頂由細粒砂巖構成，總體厚度較大，一般為9m左右，能夠形成自穩結構。

2 數值計算模擬

為了進一步弄清回采期間動壓影響的范圍和不同寬度下煤柱內部破壞特征，本文建立長500m、高60m、寬400m 的模型，把整個6302 工作面所可能影響的范圍都包括其中，為了簡化模型，在上部的巖層重力采用450m 的等效均布載荷來替代。巖層的平均密度為2500g/cm3，側壓系數為1.2。上邊界自由，其余邊界位移固定。其頂底板力學性能如表1所示。

3 回采期間煤柱穩定性分析

表1 數值計算中模型巖層的力學參數

6302 工作面回采期間63021 巷與63025 巷之間煤柱在寬度為多少的情況下內部有穩定的支撐區是本次分析的重點。由于63025 巷后期作為盤區進風大巷使用，因此確保回采過程中巷道的圍巖的穩定性尤為重要。在工作面回采過程中，區段煤柱首先受到的是工作面產生的超前支承壓力，然后隨著工作面的持續推進而受側向支承壓力，最后在本區段采空區后方承擔采空區支承壓力[6-8]，這三次壓力動壓對巷道圍巖穩定性的影響都遠遠超過原巖應力，對煤柱的影響較大。由于63021 巷與63025 巷之間的煤柱經歷了巷道掘進和回采兩次動壓的影響，應力環境相對復雜，造成巷道破壞嚴重，后期維護比較困難。本區段煤柱能否保持穩定性的關鍵是回采后內部是否存在合理的彈性支撐區，下面主要從回采期間煤柱內的塑性區的變化和巷道圍巖的變形量來判斷煤柱的寬度是否滿足要求。本文利用UDEC分別以寬度是9m、11m、13m、15m、17m、19m 的煤柱作為此次分析研究的對象來進行模擬分析。其工作面巷道布置圖如圖1所示。

3.1 不同寬度下煤柱內塑性區分布特征

圖1 工作面巷道布置圖

在6302 工作面回采過程中，由于受到動壓的影響本區段煤柱內產生塑性變形，并且隨著回采面的推進，煤柱內力學狀態進一步變化，待回采完成，后方頂板垮落形成固定支撐區后，煤柱內的塑性變形達到一個穩定狀態，圖2為不同寬度的煤柱其內彈性區和塑性區分布情況。

圖2 回采期間不同寬度煤柱內塑性區分布圖

由圖2 可知在6302 工作面回采結束動壓穩定后，其留巷煤柱內塑性區分布情況如下：

由于煤柱受到回采動壓的影響，在其內部發生塑性變形，并且隨著煤柱寬度的增加塑性區域范圍也不斷變大，當煤柱寬度達到一定值時開始出現彈性區。特別是煤柱寬度為9～13m時，于塑性變形貫穿整個煤柱，并且呈“人”字型分布延伸到63025巷底板中，造成底板變形嚴重，巷道頂板中也出現一定的塑性區域，存在失穩的可能；當留巷煤柱寬度達到17m時，其內有了一定的彈性區，而塑性變形主要集中煤柱回采一側基本頂斷裂處的正下方，此時煤柱具備一定的支撐能力，并且巷道底鼓梁明顯減小，頂板中塑性區域基本消失。通過對比上面圖中塑性變形的分布的情況可知，當寬度為9～13m時，煤柱內部塑性變形范圍隨著寬度的增加而增大，在煤柱寬度為17m時塑性區范圍相對最小，而當煤柱寬度進一步增加時，塑性區的范圍沒有明顯收斂的趨勢。并且從巷圍巖破壞形式上可以看出，巷道的塑性變形的主要表現為底鼓和兩幫變形，63021巷頂板的塑性區范圍比63025巷頂板更大，其主要原因是采空區邊緣基本頂在周期來壓不斷斷裂的情況下造成回轉下沉，基本頂下方煤巖體被強烈壓縮導致。

3.2 不同煤柱寬度下巷道圍巖的變形情況

由于63025 巷作為進風巷對東六盤區后續工作面的供風巷道，因此，盡可能減小巷道圍巖變形，保證巷道始終維持合理的橫截面積對正常進風有著決定性作用。其不同寬度煤柱下巷道圍巖變形情況如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形與煤柱寬度關系

由圖3 可見，在工作面回采期間63025巷圍巖的變形主要表現為右幫變形和底鼓，左幫和頂板的變形情況相對較小。頂板下沉量、底鼓量以及兩幫變的形量總體上都隨著留巷煤柱寬度的增而程減小的趨勢，并且當煤柱寬度由小增大到15m時巷道圍巖的變形速率也開始變小，這與前面模擬中此時煤柱內開始出現彈性區的結果相一致。

3.3 側向支撐壓力對煤柱寬度的影響

工作面回采產生側向支承壓力，從采空區由近到遠依次為應力降低區、應力升高區和原巖應力區。根據留巷原則，煤柱及巷道設計位置于應盡量避開壓力升高區，將有利于使巷道避開受回采壓力的影響，降低巷道后期維護的難度，在6302回采期間其應力分布如圖4所示。

圖4 側向支撐壓力

圖4為采空區側向支承壓力分布圖，由圖可看出工作面回采后，6302 采空區邊界側向支承應力的最大值出現在距離采空區邊緣為10m 的地方，應力峰值為29MPa，之后在約20m 處趨于穩定，此時的應力值為10MPa左右；水平應力呈現也先增加后減小的趨勢，峰值大小為15MPa，峰值位置在11m處，在20m左右處開始穩定，穩定后的應力為7MPa。結合前面的模擬結果可知，在煤柱寬度為9～15m 時，巷道無論水平還是垂直位移都比較大，所以將距6302工作面的4～15m范圍作為側向支承壓力的應力升高影響區。

根據留設煤柱應避開垂直應力升高區的影響范圍的原則，63021巷與63025巷之間煤柱的寬度或者小于9m或者大于15m，但是結合上面的巷道變形的分析結果可知當煤柱小于9m時，煤柱內部整個區域都發生塑性變形，失去了可承載性，起不到支撐作用。因此，煤柱寬度應該大于15m。綜合考慮上面模擬分析中巷道的塑性變形情況和側向支撐壓力的分布范圍，巷道的煤柱寬度定為17m 比較合適，既保障了巷道支撐的穩定性，又盡可能減少煤柱過大造成的資源浪費。

4 結論

（1）煤柱內塑性區的分布：在寬度為9～13m時，受到回采動壓的影響，塑性區貫穿整個煤柱，煤柱失去了支撐作用。寬度為15m 時內部開始出現彈性區，并隨著寬度的增加，煤柱的彈性范圍不斷變大，有了穩定的支撐區域。

（2）巷道變形情況：工作面回采期間，63025巷變形劇烈，為掘進期間巷道變形量的數十倍，底鼓和右幫變形是巷道收斂的主要來源，其次是頂板下沉和左幫變形。并且巷道圍巖的變形總體上隨著護巷煤柱寬度的增加呈現減小的趨勢，在護巷煤柱達到15m后，圍巖位移的變化量很小，變形速率也開始減小。

（3）通過模擬得到由于綜采工作面回采形成的側向支撐壓力的增高區范圍是4～15m，15m 之后逐漸變小并趨于穩定。根據留巷煤柱寬度確定原則，63025進風巷和63021 順槽之間合理煤柱寬度為17m 時圍巖變形量較小，煤柱內部有較大的穩定區域，為后期的支護提供了穩定的圍巖基礎，符合留巷條件。