窄煤柱沿空掘巷合理煤柱宽度的确定

张文峰

（大同煤矿集团忻州窑矿，山西 大同 037000）

采用双“U”型通风方式时，工作面回采的同时，往往将工作面的外圈巷道通过一定的技术措施保留下来，当作下一个工作面的外圈巷道，即在两个工作面中间保留一条巷道，供两个工作面使用，中间保留下来的巷道要为两个工作面开采服务，服务年限相对较长，且同时又要经历两次采动影响，若中间巷道两侧保护煤柱的宽度留设或设计不合理、不科学，中间预留巷道将受到两侧工作面采动高应力叠加作用的影响，使其维护相当困难。

预留巷道保护煤柱宽度对巷道稳定性的影响主要有两个方面：一是煤柱宽度影响巷道围岩应力；二是煤柱宽度影响巷道围岩完整性。具体可分为：围岩的应力状态、矿压显现规律和窄煤柱的稳定性原理。

1 试验巷道生产地质条件

15104工作面开采煤层为15#煤层。煤层厚度较稳定，煤质比较松软，15#煤层煤厚平均4.5m，煤层中部存在0.8m夹矸、泥岩，煤层倾角0～8.3°，平均倾角2.5°。

由15104工作面内钻孔资料可知：15#煤直接顶以砂质泥岩～粉砂岩为主，厚4.6m。老顶为粗粒砂岩，厚7.65m，浅灰色，厚层状，以石英为主，长石次之，含岩屑，以大型锲状交错层理为主。直接底为厚3.5m的泥岩，黑色，厚层状。老底为厚8.0m粉砂岩，黑色，薄层状，含泥岩包体。

沿煤层顶板掘进15104工作面瓦排尾巷，巷道断面为矩形，高2.8m，宽4.0m，断面积11.2m2。总体趋势为一背斜构造，北翼坡度较缓为0.4°左右，坡长579m；南翼坡度较大为3.2～8.3°，坡长415m，落差32m。15104工作面回采后，15104瓦排尾巷被留巷作为下一工作面15102瓦排尾巷继续使用，15102工作面采用“两进两回”巷道布置方式，距瓦排尾巷远离15104工作面采空区一侧留窄煤柱掘进15102工作面回风巷，回风巷为矩形断面，宽为4.8m，高为3.6m，断面积17.28m2。15104、15102工作面位置关系如图1所示。

图1 15102工作面平面图

2 窄煤柱宽度的数值模拟计算

2.1 模型的建立及计算方案

上区段回采后，瓦排尾巷一侧为距采空区的大煤柱，一侧为实体煤。本区段工作面回风巷布置在上区段瓦排尾巷实体煤一侧，巷道掘进后形成的区段煤柱受上区段侧向支承压力和巷道掘进支承压力的影响。

图2 数值模拟力学模型

模型采用摩尔—库仑（Mohr-Coulomb)屈服准则：

式中：

σ1-最大主应力；

σ3-最小主应力；

c-材料的粘结力；

φ-材料的摩擦角。

当fS＜0时，材料将发生剪切破坏。

影响窄煤柱稳定性的因素较多，考虑基本顶弧形三角块结构形成前掘巷，煤柱宽度合理范围，应避开回采15102形成的应力峰值。从15104工作面回采对瓦排尾巷的影响情况看，瓦排尾巷由于受15104工作面采动支承压力作用，巷道变形量较大。为了留巷成功并为15102工作面通风服务，在15104工作面回采时对瓦排尾巷用木垛进行加强支护。根据以往25m煤柱留巷的经验，瓦排尾巷受二次采动影响期间巷道围岩变形剧烈，给安全生产带来不便，采用窄煤柱留巷，将巷道布置在支承压力降低区，有利于巷道维护。为了确保窄煤柱留巷的成功实施，需要对瓦排尾巷进行加固支护，提出采用全锚索支护技术，即采用加长锚固方式的高预紧力高强度大延伸率锚索支护。

根据巷道开挖应力分布研究，为防止巷道周边应力集中，煤柱设计宽度应不小于掘进巷道荒宽的一倍。根据15102工作面实际生产情况及地质条件，在巷道顶板采用全锚索支护的情况下，只考虑煤柱宽度对巷道变形的影响，分别留设6m、7m、8m、10m、12m、14m、20m煤柱，各方案按照相应煤柱宽度模拟计算。

2.2 窄煤柱内应力场分布特征

取煤柱高度一半的中部层位研究煤柱内应力场分布情况。掘进期间沿煤柱宽度方向的水平应力分布见图3。

图3 掘巷期间煤柱内水平应力分布

煤柱边缘因巷道掘进、开挖影响，水平应力减小。实验表明，岩石强度在三轴状态下明显大于二轴状态，所以煤柱内水平应力是影响煤柱强度的重要因素。由图3可见，煤柱由6m逐步增大到20m时，水平应力在煤柱内的分布特征显示，其应力为“单峰”现象，存在一个先增加后减小的过程。煤柱宽度从6m开始增加，煤柱内水平应力开始逐渐增大，且峰值出现在煤柱中部，煤柱宽度为6m时水平应力峰值仅为8MPa，20m时则达到了18.2MPa，煤柱内水平应力的增加显著提高了煤柱承载强度，有利于煤柱的稳定及留巷。

2.3 煤柱内垂直位移场分布特征

回风巷掘进期间煤柱在垂直方向上的位移特征如图4所示。

由图4可见，本区段回风巷掘进后，区段护巷煤柱随即产生，根据煤柱内位移变化规律可知：煤柱整体不同程度存在下沉现象，其中两侧比较严重，尤其瓦排尾巷一侧最突出。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范围内，说明帮锚杆可以有效控制煤柱的水平位移，但很难控制煤柱的下沉作用。随着煤柱宽度的增加，煤柱下沉量明显减小，煤柱宽度小于7m时，煤柱最大下沉量为22mm，宽度为8～12m时，煤柱最大下沉量减小为13mm，煤柱大于14m后，最大下沉量约为6mm。

图4 掘巷期间煤柱内垂直位移分布曲线

2.4 煤柱宽度对瓦排尾巷变形影响分析

瓦排尾巷的受力环境和15102区段煤柱一样，同样受两次采动影响。从根本上说煤柱的稳定最终是为瓦排尾巷服务。

煤柱宽度影响巷道围岩应力状态、位移场分布。巷道围岩变形与煤柱宽度的关系见表1和图5。

表1 回采期间煤柱宽度与巷道围岩变形关系

图5 不同煤柱宽度掘进期间瓦排尾巷围岩位移

由表1、图5可见，煤柱宽度对瓦排尾巷围岩变形的影响为：本区段回风巷掘进期间，瓦排尾巷以顶板下沉和下帮变形为主。随着煤柱宽度的增加，顶板下沉和底鼓逐渐减小，下帮变形也逐渐减小，上帮变形先增大后减小。巷道掘进期间，瓦排尾巷围岩变形量较小，而工作面回采过程，瓦排尾巷围岩变形强烈。

（1） 顶板下沉：随煤柱宽度增大巷道顶板下沉量减小；煤柱宽6～7m时下沉量为700mm；煤柱宽8～10m时下沉量降低为500mm；当煤柱为12m时出现一个极大值，大于14m后下沉量明显减小且变化不大，约为200～300mm。

（2）底鼓：煤柱6～7m时底鼓量逐渐增加，7m时达到最大值1550mm；之后煤柱宽度增加底鼓量持续减小，8～10m时减小为1200mm，大于12m变化不明显。

（3） 两帮移近量：随煤柱宽度的增加上帮变形先增大后减小，最大变形量为煤柱宽7m时197mm，煤柱大于12m后变形量减小为87mm；随煤柱宽度增大下帮水平位移减小，煤柱为6m时最大值730mm，10m时出现变形极大值600mm，大于14m后下帮变形减小为152mm，随煤柱继续增大位移量变化不明显。

3 结论

采用数值模拟的方法对沿空掘巷煤柱内应力及位移进行了研究。

（1）窄煤柱宽度小于7m时，煤柱内应力较小且分布不规则，说明煤柱破坏严重，承载力低。

（2）15102回风巷掘进期间，煤柱瓦排尾巷一侧变形比回风巷要大，但变形量较小，说明受影响较小。

（3）巷道表面变形情况：本区段回采期间，瓦排尾巷底鼓量随煤柱宽度的增加先减小后增加，窄煤柱帮也有同样的变形规律，当煤柱宽度为8～10m时，瓦排尾巷变形量出现一个极小值。

（4）综合确定15104瓦排尾巷和15102回风巷之间合理窄煤柱宽度为8m，围岩变形量较小，窄煤柱内部有较大的稳定区域，承载力较强，巷道处于较有利的围岩环境中。