回采巷道煤柱稳定性影响研究

区段煤柱是保证相邻工作面回采安全的隔离体，起着隔离采空区和维护回采巷道的作用；它与回采巷道支护、维护成本、安全生产、煤炭资源回采率密切相关。本文以某矿实际为工程背景，通过理论计算与数值模拟方法得出某矿不同开采情况下、不同煤柱尺寸对煤柱稳定性的影响。

1 煤柱宽度尺寸计算

1）工程概况：某矿现开采煤层为石炭二叠系煤层、结构复杂，含4-10层夹石，岩性一般为炭质泥岩、高岭质泥岩、粉砂岩。煤层厚度12.14m～23.43m，平均16.44 m。老顶为中粗砂岩、含砾粗砂岩，直接顶为粉、细砂岩。采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤的采煤方法，采高3.9m，放煤厚度11.08m，采放比约1∶2.84，上覆岩层有侏罗系的采空区，工作面间煤柱尺寸45m。

2）煤柱尺寸理论计算：对于采准巷道的护巷煤柱，采空区间(空区侧)与回采巷道在煤柱两侧分别形成一个宽度为R0与R的塑性变形区，当煤柱宽度B小于煤柱两侧形成的塑性区宽度R0与R之和时，即煤柱两侧形成的塑性区相贯通时，煤柱将失去其稳定性，出现崩塌现象。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，在煤柱中央仍处于弹性应力状态，即在煤柱中央保持一定宽度的弹性核。对一次采全厚的综放工作面护巷煤柱，弹性核的宽度取两倍的巷道高度即可。故综放工作面护巷煤柱保持稳定状态的宽度为：

结合某矿的实情，将 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°带入上式，得某矿煤柱稳定状态的宽度B≥（30.1～32.9）m。

2 煤柱宽度数值模拟

1）模型建立：根据8106工作面及其邻近面的基本情况，利用FLAC3D数值模拟软件对不同宽度的煤柱进行模拟，得出不同宽度煤柱（25m、30m、35m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m）的塑性区、应力、位移分布，确定能够维持煤柱和巷道稳定的煤柱宽度。工作面采空区采用完全垮落式处理。模型断面图略，模型尺寸及单元节点数目见表1。FLAC3D建模图略。模型底部为固定边界；顶部为自由边界，模型四周边界施加横向约束，纵向自由。再者，结合该矿地应力测量结果及模拟工作面布置方位（见图1），经计算可确定在模型X轴方向施加21.2～16.5 MPa的梯度应力；模型Y轴方向施加6.5～5.1 MPa的梯度应力；模型上部施加11.3 MPa的等效载荷，Z轴方向设定自重载荷。

2）煤柱稳定性的模拟结果分析。煤柱两侧巷道掘进后的煤柱稳定性模拟结果分析：a.煤柱尺寸对煤柱塑性区间的影响。根据煤柱两侧巷道掘进后的煤柱弹塑性区分布情况图，分析可知，巷道两侧塑性区宽度都为2 m；随着煤柱宽度的增加，巷道两侧及其煤柱的塑性区范围保持不变。b.煤柱尺寸对垂直应力峰值的影响。根据煤柱两侧巷道掘进后的煤柱垂直应力分布情况图，分析可知，巷道两侧的垂直应力峰值16.4～16.7 MPa；随煤柱宽度的变化，应力峰值基本保持不变。c.煤柱尺寸对巷道两帮与顶底板位移量影响：图2为煤柱两侧巷道掘进后的巷道位移分布，巷道的两帮和顶板位移量不受煤柱宽度的影响，顶板下沉量为150～158 mm，回采侧帮和煤柱侧帮移近量分别为86～90 mm和92～100 mm。

图1 地应力方位与工作面对应图

表1 区段煤柱数值模拟参数

图2 不同煤柱宽度巷道的位移

图3 不同煤柱宽度围岩弹塑性区分布

图4 不同煤柱宽度围岩垂直应力分布

图5 煤柱应力分布曲线

图6 不同煤柱宽度巷道位移

一侧采空时煤柱稳定性模拟结果分析。a.煤柱尺寸对煤柱塑性区间的影响：图3为一侧采空时不同宽度煤柱弹塑性区分布情况，结论如下：煤柱宽度25 m时，采空区侧的塑性区宽度17 m，巷道侧为6 m，煤柱中间弹性核区宽度2 m，弹性核区宽度较小。随着煤柱宽度增加，煤柱内塑性区范围减小。30 m煤柱时，采空区侧的塑性区宽度15 m，巷道侧为4 m，煤柱中弹性核区宽度11m，煤柱塑性区范围减小。煤柱宽度继续增大后，煤柱内塑性区的范围基本不变，弹性核区逐渐增大。模拟表明：煤柱的宽度存在临界值；超过临界值后，虽然煤柱更加稳定，有利于巷道的维护，但增加了煤炭资源的损失。b.煤柱尺寸对垂直应力峰值的影响。见图4和图5。当煤柱宽度较小时，煤柱应力曲线为单峰曲线，25 m煤柱和30m煤柱的应力峰值分别为49 MPa和44.5 MPa；随着煤柱宽度继续增加，应力曲线转变为双峰曲线，巷道侧煤柱应力峰值逐渐减小；当煤柱宽度达到60 m时，应力峰值为30.3MPa。由计算得到煤柱的极限抗压强度约为31MPa，当煤柱垂直应力高于煤柱的极限抗压强度时，煤柱将会失稳。煤柱宽度小于55m时，垂直应力远大于31 MPa，煤柱不稳定；当煤柱宽度达到55 m时，应力峰值31.3 MPa，煤柱接近于稳定状态；当煤柱宽度增加到60 m时，应力峰值28.5 MPa，煤柱处于稳定状态。现场煤柱宽度为45 m，煤柱应力峰值37.4 MPa，大于煤柱的极限抗压强度，围岩变形严重，若不采取措施煤柱不会稳定，容易引起邻空巷道围岩变形与失稳。c.煤柱尺寸对巷道的两帮与顶底板位移量的影响。进行数值模拟过程中，对巷道表面位移进行跟踪观测，给出了不同煤柱尺寸时的巷道表面位移变化状况，见图6。不同尺寸煤柱的巷道表面位移量都较大，巷道变形严重；随着煤柱尺寸的增加，巷道表面位移也随着近似线性降低；煤柱宽度60 m时，巷道顶板下沉量、回采侧帮移近量、煤柱侧帮移近量分别为339mm、136mm、230mm，巷道位移量相对较小。

3 结论

1）由同宽度煤柱模型的弹塑性区、垂直应力、表面位移分布规律可知：煤柱宽度较小时，煤柱应力曲线为单峰曲线，应力峰值较高，巷道变形严重；随着煤柱宽度的增加，煤柱应力曲线由单峰转变为双峰，应力峰值逐渐降低，巷道变形量逐渐减小。

2）当煤柱宽度达到60 m时，煤柱巷道侧应力峰值28.5MPa，低于煤柱的极限强度，煤柱处于稳定状态。因此，若不采取措施，煤柱宽度达到60 m时，巷道和煤柱才能达到稳定状态。

3）依照理论计算煤柱宽度、数值模拟结果、现场实际宽度对比可知：单纯依靠煤柱宽度增加来保持回采巷道稳定性，由此造成煤炭损失巨大；故有必要保证回采巷道围岩稳定的前提下，采取合理措施优化煤柱尺寸、提高煤炭的采出率，创造更大经济价值。对于煤柱尺寸优化应从缓解煤柱的高应力状态方面入手：一是加强回采巷道本身的支护强度，提高其自身的维稳能力；二是改善煤柱的受力状态，缓解采空区侧覆岩运动对其稳定性造成的影响。例如爆破切顶卸压，在顶抽巷中布置钻孔，利用爆破削弱采空区与待采区的顶板联系，缓解煤柱受力。

[1]陈炎光,陆士良,侯朝炯,等.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994:136-141.

[2]奚家米,毛久海，杨更社，王进锋.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2008,25（4）：400-403.

[3]钱鸣高,石平五.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社,2003.