沿空掘巷小煤柱护巷的理论分析及应用

刘 勇

（山西宏厦第一建设有限责任公司，山西 阳泉 045008）

0 引 言

沿空掘巷指沿采空区边缘或留设窄煤柱掘进巷道，目的是将巷道与采空区隔离，。沿空巷道的窄煤柱在上下两区段回采动压的影响下会产生不同程度的破坏，破坏程度在极大程度上影响着回采巷道的稳定性[1]。在沿空掘巷方面，国内外学者展开了大量的研究，如刘增荣[2]将沿空巷道的顶板岩层视为悬伸岩层，通过其对上覆岩层作用的角度具体分析了缓、急斜煤层中运用窄煤柱护巷时具体的力学机理，同时给出当沿空巷道的中轴线与采空区边缘的距离为5m时，留设3～5m的护巷煤柱，回采巷道和窄煤柱所受到的围岩压力较小；常聚财、谢广祥等[3,4]对综放开采沿空掘巷的合理布置位置进行了深入的研究，通过现场实测、理论计算并结合数值模拟的综合方法进行具体分析，并由应力测试的方法得出煤柱沿倾向应力变化规律；本文主要从理论分析的角度对沿空巷道上覆岩层的结构特征以及窄煤柱护巷的宽度进行研究，并根据工程实例验证分析其可用性。

1 工程概况

某矿3101综采工作面主采昌宁统那读组下百岗段I煤层，煤层的厚度为2.8～3.2m，平均厚度为3m，I煤层的的直接顶泥岩，黑色，平均厚度为3.6m，煤层的基本顶为细砂岩，平均厚度为16m，底板为泥岩和砂质泥岩；煤的平均抗压强度为6.03MPa，黑色泥岩的平均抗压强度为16.7MPa，细砂岩的平均抗压强度为50.8MPa。该工作面南部紧挨已经回采完毕的1201工作面，本次试验的沿空掘进巷道为3101工作面的运巷，工作面的具体巷道布置如图1所示。

图1 3I01工作面巷道布置

2 护巷煤柱的应力分布及上覆岩层的结构特征

2.1 煤柱的应力分布

护巷煤柱受到上区段1201采空区以及回采巷道的影响，煤柱会产生不同程度的变形破坏，护巷煤柱会在煤体的两侧各自形成一定区域的塑性区。根据护巷煤柱的宽度不同，可大致根据煤柱的宽度将应力分布分为两种类型。用L来表示煤柱的宽度，L0来表示煤柱采空区侧支承压力影响区的范围，L1表示巷道侧支承压力影响区的范围。当煤柱的宽度较大时，即L＞L0+L1时，此时煤柱两侧的支承压力没有叠加，煤柱中部的应力与两侧叠加区域的应力相比较低，煤柱中部存在一定宽度的弹性核区域，此时的应力呈现不对称的马鞍形分布，如图2a所示；随着护巷煤柱宽度的逐渐减小，在L＜L0+L1时，由于两侧回采引起的支承压力的叠加使得煤柱所承受的应力较大，此时整个煤柱的应力呈现钟形分布，如图2b所示，故为保证护巷煤柱的稳定性，通过合理的选择煤柱宽度能够有效避免煤柱内支承压力的叠加。

图2 稳定煤柱的弹塑性区及应力分布

2.2 煤柱上覆岩层结构特征

随着1201工作面的推进，上方基本顶在周期来压的作用下会沿着工作面的侧向形成如图3所示类似于砌体梁的结构，图中的岩块A为下区段的直接顶岩层，岩块B为上区段采空区在靠近煤柱上方位置处弯曲下沉所形成的弧形三角块，岩块C为上区段采空区上方直接顶破断后的岩层。这种形似砌体梁的结构对支撑上覆岩层荷载起到关键作用，在这种形似砌体梁结构对煤柱的稳定起到关键的保护作用。

图3 沿空巷道上覆岩体破断结构图

由上述分析可知弧形三角块B对护巷煤柱的稳定起到关键性的作用，故在评价上覆岩层大结构的稳定性时，只需对弧形三角块B的结构参数作具体分析即能够满足沿空巷道的稳定，具体的参数模型如图4所示。弧形三角块B的结构参数主要有4个：

1）为基本顶的断裂长度L1，L1与基本顶的周期来压步距[5]相等，表达式为：

式中：q为基本顶单位面积平均载荷，MN/m2；Rt为基本顶的抗拉强度，MPa；h为基本顶厚度，m。根据矿井1201工作面地质资料，基本顶周期来压步距一般为14～17m之间，所以断裂长度L1为14～17m。

2）基本顶的断裂位置X0

据相关研究表明，基本顶的断裂位置大部分情况下位于采空区侧向煤体的弹塑性区域交接处[6]，表现为两种情况，即断裂位置位于护巷煤柱上方或者在采空区上方。用X0表达断裂位置距上区段采空区侧煤壁的距离，则X0具体表达式为：

式中：y0为工作面采高，m；γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；H为沿空巷道埋深，m；φ为煤体内摩擦角，°；A为侧压系数；px为对煤帮的支护阻力，MPa；c为煤层粘聚力，MPa；K为应力集中系数。根据1201工作面的相关资料显示采高y0为3m，煤层内摩擦角φ为20°，侧压系数A为1.5，应力集中系数K为3，支护阻力px为0MPa，巷道埋深H为200m，粘聚力c为3MPa，上覆岩层平均容重γ为0.025MN/m3。将上述数据带入式（2）计算得出1201工作面基本顶断裂位置X0为5.8m。

3）厚度h的确定。

关键块体B的厚度与护巷煤柱上覆基本顶岩层的厚度相等。

4）参数L2的确定。

L2的计算公式可表示为：

根据大量的数据计算分析发现：当S/L1＞6时，L2=L1，由 1201 工作面的长度为 150m，S/L1＞6，故能够得出L2为14～17m。

图4 弧形三角块B的主要结构参数

3 合理护巷煤柱宽度的分析

3.1 煤柱宽度的确定方法

由于沿空护巷煤柱会先后受到上下区段工作面的采动影响，会逐渐在煤柱的边缘出现一定区域的塑性破坏，塑性区的出现会致使煤柱能承受载荷的能力大大降低，随着工作面的向前推进，塑性破坏区域的宽度会逐渐增大，使得煤柱的变形加剧，据此可知煤柱内部塑性破坏区域的的尺寸是合理留设煤柱宽度的关键。将煤体视为均质连续体，简化后煤柱的力学模型如图5所示，根据莫尔—库伦准则和弹性力学的有关知识能够求得极限平衡区的宽度[7]：

式中：m为煤柱高度；Px为锚杆对煤柱的侧向阻力；λ为塑性区边界面的侧压系数，λ=μ/1-μ；σx、σy分别为沿x轴和y轴方向上的应力；K为塑性区边界面应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重；H为煤柱埋深；φ为煤体内摩擦角。

为了避免固定和残余支承压力对巷道的影响，故运用锚杆（索）对护巷煤柱进行支护，在高围岩应力的作用下，可能会使得锚杆（索）锚固范围处于煤柱的塑性破坏区内，致使锚固效果差，故锚杆（索）长度x2也是煤柱合理宽度所要考虑的因素，另外，考虑到影响煤柱稳定的其他未知因素，因此对煤柱添加一个安全系数x3，以避免不定因素对煤柱的影响。综上所述，沿空巷道护巷煤柱合理的宽度表达式为：

式中：x1为煤柱塑性区宽度；x2为锚杆(索）长度；x3为煤柱安全系数，一般取 0.15～0.35（x1+x2）。

图5 沿空护巷煤柱的力学模型

3.2 3101回风巷煤柱宽度的理论计算

根据3101工作面地质资料及煤岩层物理力学参数测定，得出的3101工作面的煤岩层的物理力学参数见表1：

表1 3101工作面煤岩层物理力学参数

将表中数据带入到式（1）中，能够得出煤柱塑性区的宽度为x1=1.7m，结合图6所示3101运巷断面的支护，根据式（2）能够计算得出回风巷的合理护巷煤柱如下：

B=1.7+2.3+[（0.15～0.35）×（1.7+2.3）]=4.6～5.4m，故对3101工作面运巷留设了5m的煤柱宽度。

图6 运巷断面支护图

3.3 工业试验的效果

在3101工作面回采期间通过对3101运巷道表面进行的观测得出巷道顶底板在回采期间的最大移近量为0.5m，两帮的最大移近量为0.7m，故对于3101回风巷采用5m煤柱宽度方案能够有效的保证沿空巷道围岩的稳定，为工作面的安全、高效生产提供保障。

4 结 论

1）讨论了沿空掘巷在不同护巷煤柱宽度下弹塑性区域以及应力在煤柱中的分布状况；通过分析知保证煤柱的稳定最有效的途径为合理的控制护巷煤柱内部塑性破坏区域范围的扩大，避免不合理的煤柱宽度造成的应力叠加。

2）通过分析沿空巷道上覆的破断规律，构建弧形三角块的结构模型，得出影响弧形三角块结构稳定的参数主要为基本顶的断裂长度、基本顶的断裂位置、弧形三角块的厚度以及上区段采空区边缘与沿空巷道边缘的距离4个方面。

3）基于护巷煤柱的力学模型并结合3101工作面的工程实际计算得出回风巷的合理煤柱宽度为4.6～5.4m，通过现场留设5m煤柱的工程效果验证了理论分析得出煤柱宽度的合理性。