沿空掘巷窄煤柱合理尺寸模拟分析

张 瑾

(灵石县煤矿安全监管巡查队，山西 灵石 031300)

由矿压相关理论可知，沿空巷道相比较普通巷道，矿压影响时间长、次数多，更容易引起煤柱内煤体破碎、巷道变形量大等问题。目前，在分析合理沿空煤柱尺寸过程中主要有理论计算、经验法和模拟计算3种方法[1-3]。理论计算主要有“大小结构理论”；经验法主要为留设2倍的支承压力峰值距离再加上5 m的距离；模拟计算主要是采用FLAC3D模拟软件，建立类似于工作面围岩产状的模型，进行垮落运算从而确定合理煤柱尺寸。本文将借助第3种手段对3上411工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸进行分析[4-5]。

1 工程概况

某矿3上411工作面运输顺槽位于3上煤层的东四采区-480 m水平，3上煤层平均采深为300 m，呈一单斜构造，煤层倾角为0°～12.5°。3上411工作面运输顺槽沿3上煤层的底板掘进，总长为1 522.1 m。3上411运巷在掘进过程中将受到3上408工作面回采的动压影响。

工作面情况见表1。

2 模型的建立

采用掘进与回采分布循环计算，模拟掘进迎头与回采面碰头后18 m应力峰值位置不同煤柱宽度对沿空巷道围岩的影响以及沿空煤柱的稳定性。通过对窄煤柱内的应力分布、采掘相向巷道围岩的变形量等数据进行分析研究，进而确定合理的窄煤柱宽度。

表1 地面相对位置及邻近采区开采情况表

结合矿井生产地质条件，在既定支护条件下，只考虑变量—煤柱宽度的影响，设计分析方案共8个(方案一～方案八)，留设煤柱宽度分别为3、4、5、6、7、8、9、10 m。

采掘相向沿空掘巷掘进迎头在相邻回采面后方的应力集中系数普遍大于前方，3上411运输顺槽迎3上408面掘进期间，掘进迎头距相邻回采面+40 m至-80 m区间内为强烈动压作用区，故本次模拟中以采掘相向沿空掘巷掘进迎头位于相邻工作面后方18m测点断面为代表性研究对象，对比留设8个方案窄煤柱宽度时窄煤柱的稳定性，并确定合理的窄煤柱宽度。

2.1 数值模拟应力分析

煤柱内应力分布如第102页图1。

不同宽度煤柱内应力峰值如第102页图2。

当煤柱宽度为3 m时，沿空侧煤柱内最大垂直应力为6.1 MPa，侧向实体煤内最大垂直应力为16.5 MPa，实体煤侧应力集中范围和集中程度要大于沿空侧，实体侧煤体内应力集中系数为2.2，沿空侧煤柱内应力小于原岩应力，应力波动幅度较小，整个窄煤柱宽度范围内均发生塑性破坏，煤柱处于卸压状态。

图1 不同宽度窄煤柱内垂直应力分布

图2 不同宽度窄煤柱内应力峰值曲线

当煤柱宽度为4 m时，沿空侧煤柱内最大垂直应力为7.9 MPa，侧向实体煤内最大垂直应力为16.8 MPa，实体煤侧应力集中范围和集中程度要大于沿空侧，实体侧煤体内应力集中系数为2.24，沿空侧煤柱内应力略大于原岩应力，能承受一定的载荷，应力集中区域大约在距采空侧煤壁2.5 m～3.5 m。

当煤柱宽度为5 m时，沿空侧煤柱内最大垂直应力为9.8 MPa，侧向实体煤内最大垂直应力为17.2 MPa，实体煤侧应力集中范围和集中程度仍然大于沿空侧，实体侧煤体内应力集中系数为2.3，应力波动幅度逐渐增大，应力集中区域大约在距采空侧煤壁3.5 m～4.5 m。

当煤柱宽度为6 m时，沿空侧煤柱内应力应力继续增大,为11.7 MPa，煤柱内高应力区范围也在扩大，而实体煤内应力有所减小，但仍然大于沿空煤柱内的应力。

随着煤柱宽度的继续增加，沿空侧煤柱应力集中程度逐渐增大，实体煤侧应力程度逐渐减小，当煤柱宽度为8 m时，沿空煤柱侧应力超过实体煤内应力峰值。8 m～10 m范围内煤柱内应力峰值变化不大，煤柱内高应力区范围继续增大。

由图1可以看出，煤柱尺寸越大垂直应力峰值越大，且垂直应力峰值基本都位于窄煤柱中央略微靠近沿空巷道的位置，依据应力曲线的斜率可以将其分为2个区域：

1) 剧增区：窄煤柱宽度为3 m～7 m时，窄煤柱内垂直应力峰值增长较快，增长趋势近似为直线。窄煤柱宽度为3 m时，煤柱垂直应力峰值为6.1 MPa，小于原岩应力；窄煤柱宽度为4、5、6、7 m时，煤柱内垂直应力峰值分别为7.9、9.8、11.7、13.6 MPa，皆大于原岩应力。

2) 缓增区：窄煤柱宽度为8 m～10 m时，窄煤柱内垂直应力峰值虽有所增加但增加幅度逐渐变小，逐渐趋于稳定。窄煤柱宽度为8、9、10 m时，窄煤柱内垂直应力峰值分别为16.5、16.8、17.2 MPa。

2.2 数值模拟位移特征

为研究采掘相向沿空巷道在经历相邻工作面回采采动影响过程中，不同窄煤柱宽对巷道围岩变形量的影响程度，对采掘相向沿空掘巷掘进迎头位于相邻工作面后方18 m测点断面处不同煤柱尺寸下，煤柱位移量与巷道围岩的位移量进行记录分析。

1) 煤柱水平位移分析

沿巷道断面窄煤柱宽度扩展方向，取煤柱高度一半的中部层位研究窄煤柱内水平位移场分布特征，其对应的煤柱向采空区侧和采掘相向巷道侧的水平位移峰值与窄煤柱宽度关系如图3所示。

图3 窄煤柱水平位移峰值分布曲线

由图3可知，不同窄煤柱尺寸水平位移分布特征如下：

a) 在上区段工作面采动期间，窄煤柱的采空侧要比沿空巷道侧的位移量大，平均大60 mm左右。

b) 采空侧窄煤柱的水平位移规律：当窄煤柱宽度在3 m～5 m时，采空侧窄煤柱的水平位移逐渐增加，且幅度较大；窄煤柱宽度为5 m～9 m时，窄煤柱向采空区侧的水平位移呈缓慢减小趋势；窄煤柱宽度为9 m～10 m时，窄煤柱向采空区侧的水平位移仍有减小但基本趋于稳定；其中,窄煤柱宽度为5 m时，煤柱向采空区侧的水平位移达到最大值，为192.7 mm。

c) 窄煤柱向采掘相向巷道侧水平位移规律：从整体看，与窄煤柱向采空侧的趋势大致相同，但位移量平均低80 mm～90 mm，窄煤柱尺寸为5 m时达到最大值，为124 mm。

2) 巷道围岩变形量分析

不同宽度窄煤柱条件下巷道围岩变形量详见表2，窄煤柱宽度与巷道围岩变形量关系见图4。

表2 不同窄煤柱宽度条件下巷道围岩变形量

图4 窄煤柱宽度与巷道围岩变形量的关系

由图4和表2可以看出，巷道围岩变形中除底鼓量受窄煤柱尺寸影响不大外，其他围岩受煤柱尺寸的影响较大。窄煤柱尺寸对采掘相向沿空巷道围岩变形量的研究分析结果如下：

1) 顶板下沉量

从总体来看，不同宽度窄煤柱条件下，沿空巷道顶板下沉量缓慢降低，下降幅度逐渐减小后下沉量基本趋于稳定，窄煤柱宽度为3 m时顶板下沉量最大，为205.2 mm。

2) 巷道底鼓量

从图4中曲线可以看出，巷道底鼓量在较小值小幅度波动，说明窄煤柱宽度与巷道底鼓量相关性较小。波动区间为41.80 mm～47.57 mm。其中，窄煤柱宽度为3 m时，底鼓量达到最大值，为47.57 mm。

3) 巷道沿空帮变形量

巷道沿空帮上侧变形量在窄煤柱宽度为3 m～5 m时呈增长趋势，6 m～9 m后变形量逐渐减小，9 m～10 m变形量基本趋于稳定，且与3 m时变形量基本相同。巷道沿空帮下侧变形量在窄煤柱宽度为3 m～6 m时巷道变形量呈增长趋势，6 m～9 m时变形量逐渐下降，9 m～10 m时巷道沿空帮变形量基本趋于稳定，且与4 m时位移量基本相同。总体上看，煤柱宽度为3 m～8 m时巷道沿空帮上侧位移量要比巷道沿空帮下侧变形量要大，说明巷道沿空帮上侧受到应力集中程度较大，变形严重，8 m～10 m上、下侧的位移量相差不大。随着煤柱宽度的增加，上、下侧的变形量逐渐缩小。

4) 巷道实体煤帮变形量

巷道实体煤帮位移量在窄煤柱宽度为3 m～5 m时基本保持不变，5 m～10 m时呈缓慢下降趋势。总体来看，巷道实体煤帮变形量较煤柱侧变形量要小，但巷帮移近量的趋势基本相同，总体上比巷道窄煤柱帮的变形量小50 mm～60 mm。在巷道实体煤帮下侧变形量较上侧大，说明巷道实体煤帮下侧受到应力集中程度较大，变形量大。

3 煤柱尺寸的确定

综上所述，随着窄煤柱尺寸的增大，沿空巷道两帮的位移先增大后缓慢减小，煤柱宽度为5 m～6 m时两帮位移达到最大值，沿空帮4 m煤柱时的位移与10 m位移基本相同，实体煤帮巷道位移在煤柱5 m之后逐渐减小；从垂直应力看4 m煤柱内存在部分区域超过原岩应力能承担部分载荷，巷道围岩的位移虽然比3 m时大，但3 m煤柱完全塑性破碎，起不到一定的隔离作用，4 m窄煤柱时巷道围岩变形量也在可控范围内同时能够起到隔离作用；经理论计算，侧向煤体屈服区为3.3 m，沿空巷道开挖后侧向应力峰值距煤壁边缘11.1 m，煤柱和沿空巷道均处于低应力环境；最终确定3上411工作面运输顺槽与3上408工作面采掘相向沿空掘巷留设的护巷窄煤柱尺寸为3.8 m。

4 结论

本文利用FLAC3D数值模拟软件建立3、4、5、6、7、8、9、10 m 8个不同宽度的窄煤柱模型进行计算，分别分析研究沿空巷道和窄煤柱内垂直应力和剪应力以及沿空巷道的围岩变形量。得出：

1) 由于采空区覆岩活动的影响，沿空巷道两侧出现了应力集中现象，而煤柱内应力峰值更靠近于巷道，巷道顶底板都出现了圆弧状卸压区域。窄煤柱内垂直应力峰值随着煤柱尺寸的增加而不断增大，煤柱从4 m开始支承压力峰值高于原岩应力，4 m～8 m支承压力逐渐升高，8 m之后煤柱内应力大于实体煤内应力峰值。

2) 巷道围岩上的剪应力等值曲线从总体上大致以巷道中心为对称点呈中心对称分布，并且随着煤柱尺寸越来越大，这种呈中心对称的现象会更加明显。沿空巷道在窄煤柱侧的顶部和实体煤侧的底部剪应力区域比较集中，煤柱尺寸越大，剪应力影响的范围也会逐渐增大。沿空巷道开挖后，巷道的变形破坏最有可能在巷道窄煤柱顶板位置开始发生破坏。

3) 窄煤柱向采空侧位移先增大后逐渐减小且在窄煤柱宽度为5 m时，煤柱向采空区侧的水平位移达到最大值，为192.7 mm。从整体看，与窄煤柱向采空侧的趋势大致相同，但位移量平均低80 mm～90 mm。

4) 巷道顶板下沉量，从总体来看，不同宽度窄煤柱条件下，沿空巷道顶板下沉量缓慢降低，窄煤柱宽度为3 m时顶板下沉量最大，为205.2 mm。巷道底鼓量较小且变化不大，变化范围为41.80 mm～47.57 mm。底鼓量最大值发生在窄煤柱宽度为3 m时，最大值为47.57 mm。

5) 巷道沿空帮位移先增大后减小，且在煤柱宽度为5 m～6 m时达到最大值。煤柱宽度为3 m～8 m时巷道沿空帮上、下侧位移量相差很大，8 m～10 m后巷道沿空帮上、下侧的位移量差距缩小。巷道实体煤帮的变形量较煤柱侧的变形量要小，但巷帮移近量的趋势基本相同，总体上比巷道窄煤柱帮的变形量小50 mm～60 mm。在巷道实体煤帮下侧变形量较上侧大，说明巷道实体煤帮下侧受到应力集中程度较大，变形量大。

6) 通过模拟监测数据分析，确定出最终合理煤柱的尺寸为3.8 m。