沿空掘巷窄煤柱应力计算方法研究

吴志刚，汪占领，石 蒙

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013； 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

在上世纪50年代开始，沿空掘巷在我国许多矿务局开始应用，最初完全意义上的沿空留巷，是在采空区边缘使用木支柱，矸石袋、混凝土块、金属支柱等多种材料支护巷道。目前很少有严格意义上的沿空掘巷，基本上都是在采空区的边缘，预留一定宽度的窄煤柱掘进巷道。窄煤柱主要有两个作用：第一，支撑上覆岩层载荷；第二，防止相邻采空区漏风、漏水。对于综放工作面，沿空掘巷十分有利于巷道维护。国外，如澳、英等国不研究沿空掘巷；美、德等国的区段煤层平巷均布置在实体煤中；俄罗斯、乌克兰的沿空掘巷只采用金属支架支护。

由于综放窄煤柱护巷的沿空巷道围岩松软破碎，国内众多学者提出综放窄煤柱护巷的设计原则，侯朝炯、李学华、柏建彪等人根据顶板岩层铰接结构[1-3]，提出沿空掘巷大小结构分析方法，认为关键岩块B是煤柱稳定的关键因素，服从S -R (Sliding -Rotation)稳定性原理，得出煤柱宽度的公式，认为在中等稳定围岩的煤柱的宽度在3.5～5.0m之间，锚杆支护提高围岩体的黏聚力和内摩擦角；李栖凤、柏建彪[4]等分析综放工作面倾向压力分布规律，认为相邻采空区煤体边缘一定范围(一般0～7 m)内形成应力降低区，巷道布置在应力降低区，巷道支护、维护成本低；岳帅帅等人[5]根据矿压规律显现认为巷道应布置在应力降低区；汪永茂[6]等人根据半年的观测数据，把煤柱分为3个区，设计煤柱宽度4m；康立军[7]在现场实测和理论分析基础上，认为巷道应布置在应力减低区，巷道变形最小；王德超[8]通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度；张科学[9]从采空区侧向支承应力分布规律和煤柱应力分布、巷道围岩应力分布、巷道围岩变形与煤柱宽度的关系等多个方面研究深部煤层群沿空掘巷煤柱尺寸；苏海[10]采用理论计算和数值模拟相结合研究深部综放大断面沿空掘巷小煤柱宽度的难题； 赵国贞[11]把顶板岩层简化为梁结构，提出沿空掘巷围岩结构力学模型；杨吉平[12]以沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性为理论基础，认为保持小煤柱的稳定性是沿空掘巷稳定的根本，根据围岩强度强化理论，采用高强度高预应力锚网索联合支护；王卫军[13]等人应用损伤理论分析沿空掘巷实体煤帮的支承压力分布；张源[14]等人根据围岩顶板的裂隙统计规律，认为基本顶的断裂、回转和滑移失稳是沿空巷道围岩大变形的根本原因，造成巷道两帮收敛量大，煤壁破碎，片帮严重，锚杆托盘拉脱等；张广超[15]研究动压沿空窄煤柱巷道变形特性，综放沿空巷道顶板呈现非对称变形破坏特征，表现为煤柱侧顶板严重下沉、剧烈水平滑移变形及肩角部位顶板错位、嵌入、台阶下沉等，认为基本顶的破断和回转下沉运动是沿空巷道不对称变形破坏的根本力源，靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位；秦海忠、张志青[16-17]等人研究动压影响窄煤柱的锚杆支护；徐军[18]采用数值计算的方法研究了王庄煤矿巷道开挖前残留煤柱初始应力场、位移场分布规律，揭示窄煤柱宽度对残留煤柱应力场和位移场的影响规律；张广超[19]采用 FLAC3D数值分析了不同煤柱宽度下围岩主应力差、变形及破坏演化规律，认为合理煤柱宽度为 6～10m，并结合实际地质和生产条件确定试验巷道煤柱宽度为8m；华心祝[20]采用 FLAC3D软件研究孤岛工作面沿空掘巷超前支承压力分布特征。通过建立孤岛工作面沿空掘巷基本顶的力学模型，推导出受动压影响时巷道顶板下沉量的计算公式。支护强度对煤柱稳定性影响方面，张源[21]等人采用采用FLAC3D有限差分数值模拟方法，研究不同支护强度条件下窄煤柱的变形和破坏规律；靖洪文等针对综放开采沿空掘巷围岩控制的问题，采用FLAC3D模拟留设5m煤柱护巷时回采巷道围岩和小煤柱应力演化过程，锚杆(索)支护形式能有效控制围岩变形破坏。国内外众多学者从不同角度研究窄煤柱的设计方法，但是没有开展煤柱的载荷计算方法以及相应计算公式研究。

1 沿空掘巷的基本原理

沿空留巷、沿空掘巷都是在采空区边缘布置巷道，都是受工作面侧向岩层移动规律的影响，沿空留巷经历工作面回采全部过程，采动期间，采空区上覆岩层剧烈移动，围岩应力强烈变化和重新分配，巷道周围围岩体变形显著。沿空掘巷时，采空区侧向岩层移动剧烈活动已经结束，巷道周围围岩体应力分布稳定。沿空掘巷在时间和空间上都非常有利。工作面回采结束后，工作面后方上覆岩层依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带[22]，垮落带自由垮落，岩层结构破坏严重、彼此之间没有水平力联系。裂缝带在垮落带之上，裂缝带整体结构破坏，具有一定层次，岩块之间可能彼此绞接，在水平方向和垂直方向承载能力不强，不能承受上覆岩层的重量。弯曲下沉带在裂缝带上方，岩层整体移动，属于非破坏岩层。岩层结构没有裂缝、破坏，基本保持完整承载能力，类似板梁弯曲，弯曲下沉带能够承载上覆岩层载荷，形成稳定的结构。在采空区侧向形成类似三角形的稳定结构，如图1所示，沿空掘巷三角形稳定结构的下方(图中红色三角形)，煤柱载荷相对较小，有利于巷道稳定。

图1 采空区侧向岩层分布示意

2 窄煤柱载荷估算方法

国内外众多学者研究沿空留巷充填体载荷计算方法，吴建[23]、孙恒虎[24-25]认为垮落带决定着巷道支护系统的载荷大小，根据力矩平衡原理提出充填体载荷的计算公式；李化敏[26]、李迎富[27]分析基本顶关键块稳定性，提出充填体支护阻力计算公式；涂敏[28]根据弹性地基顶板挠曲运动方程,计算充填体支护阻力。沿空留巷充填体的阻力或者载荷计算中，都是以采空区上覆岩层的裂缝带为基础，基本顶关键块为重点研究对象。沿空掘巷窄煤柱计算同样以裂缝带作为载荷计算的基础。Mark在大量实际案例基础上，考虑侧压载荷影响，提出长壁工作面煤柱载荷的计算方法，根据Mark提出的载荷计算方法[29-30]，提出窄煤柱的载荷估算。

综合国内外沿空留巷、沿空掘巷窄煤柱的研究成果,认为： 采空区内弯曲下沉带对窄煤柱的载荷几乎没有影响，采空区裂缝带的高度和形态决定了窄煤柱的载荷。结合Mark长壁煤柱稳定性分析法和工作面顶板的岩层特性，窄煤柱承载结构如图2所示，窄煤柱上方岩层呈倒台阶承载形态，台阶边缘和垂线呈一个夹角θ，类似长臂工作面的侧向支撑角，根据面积分摊法，窄煤柱承载如图2所示的红色梯形载荷，梯形下底边长为煤柱宽度加上巷道宽度的一半，梯形的高度为裂缝带高度减去煤层开采厚度。

图2 沿空窄煤柱承载结构

窄煤柱的载荷计算公式为：

式中，w1为留巷巷道宽度；h为巷道高度；w2为煤柱宽度；H为裂缝带高度 (参见建筑下水体下导水裂缝带计算公式，公式见表1，公式中m为开采高度)；θ为侧向支承角(取值见表1)；γ为工作面上覆岩层容重，0.025～0.027N/mm2。

表1 裂应力计算公式参数

3 工程实践

柳巷煤矿设计生产能力为1.2Mt/a，位于陕北榆神矿区。开采3号煤，厚度11.05m，煤层结构致密，节理裂隙不发育。煤层结构简单，个别含1层夹矸，煤层平均倾角0.3°。直接顶为泥岩，厚度2.66m，基本顶为灰白色块状中-粗粒长石砂岩，厚18m，煤层埋深209～321m，开采方法为综采放顶煤，采高3.8m，巷道长度1500m左右。把30108工作面回风巷与30106工作面采空区间的煤柱尺寸缩小为10m，小煤柱巷道宽度4.86m，高度3.42m，支护形式采用高预应力锚杆锚索加强支护。顶板及煤柱帮锚杆为20号左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度2.4m，树脂加长锚固，顶板配φ14mm圆钢焊接的钢筋托梁，煤柱帮采用W型钢护板，厚度4mm，宽280mm，长度450mm。采用8号铁丝编织的菱形网护煤柱帮和护顶，网格为50mm×50mm。工作面帮使用塑钢网片和玻璃钢锚杆支护，玻璃钢锚杆规格为φ18mm×1600mm。锚杆排距1000mm，顶板每排5根锚杆，间距900mm。两帮每排各4根锚杆，间距950mm。采用φ17.8mm锚索进行补强，长度5.3m，配300mm×300mm×14mm高强度拱形可调心托板及配套锁具，每排1根布置，排距2000mm。锚杆预紧扭矩不低于400N·m。锚索张拉预紧力180～200kN。

30108工作面回风巷宽度A=4.86m，高度h=3.42m，煤柱宽度B=10m，工作面属于硬度较高中硬顶板，θ=20°，采高11.05m,裂缝带高度H的中值为51.9m。根据煤柱载荷(应力)计算公式，当裂缝带取中值时，煤柱的应力为：

巷道掘进距离工作面切眼400m的位置，4月7日在10m煤柱中安装4个钻孔应力计，安装深度分别为2m，4m，6m，7m，钻孔应力计安装的初始压力分别为8.2MPa，7MPa，9.2MPa，12MPa，平均9.1MPa，安装之后，钻孔应力计开始和煤柱耦合，钻孔应力计数据下降，开始8d内，钻孔应力计数据快速下降。4月15日，4个钻孔应力计数据分别为3.5MPa，3.1MPa，2.6MPa，4.6MPa，平均3.48MPa，经过30d时间，钻孔应力计和煤柱充分耦合，4个钻应力计数据分别为2.7MPa，2.8MPa，2.3MPa，3.5MPa，平均值为2.83MPa，此时钻孔应力计监测数据为煤柱载荷，4个钻孔应力计平均数据的变化曲线如图3所示。

图3 钻孔应力计平均测试曲线

煤柱载荷应力理论计算值为2.78MPa，煤柱内安装4个钻孔应力计的实测平均值为2.83MPa，2个数据相差不大，证明载荷计算公式的合理性。

4 结 论

根据工作面侧向岩层移动规律，上覆岩层的弯曲下沉带形成自平衡的三角形平衡结构，沿空掘巷窄煤柱布置在三角形结构体的下方，结合长壁煤柱载荷分析的方法，提出窄煤柱载荷的计算公式，公式包括采高、巷道宽度、煤柱宽度、上覆岩层结构类型等多个参数。窄煤柱载荷计算公式，参数明确简单，为沿空掘巷窄煤柱设计方法提供研究基础。载荷计算公式在中硬顶板条件下，证明公式的合理性，需要在软弱、中硬顶板等条件下进一步验证。