基于块体离散元的厚煤层沿空巷道合理煤柱宽度分析

姜志刚

（开滦（集团） 有限责任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

随着煤炭资源开采不断向深部转移，巷道两侧的支撑压力峰值也不断向煤岩体内深部发展。深部厚煤层中煤岩体内塑性区发育，给回采巷道的布设带来了一定的困难。常规方法为在无扰动区内布置巷道，留设大煤柱，这种方法造成了大量的煤炭损失。小煤柱或无煤柱沿空掘巷技术逐渐成为关注的焦点。

在沿空巷道实践中，护巷煤柱留设的尺寸是沿空巷道技术成败的关键，国内研究学者对此进行了大量研究[1-5]。苏超[6]基于极限平衡理论确定了沿空掘巷护巷煤柱宽度的合理取值区间，并结合数值模拟进行了优化；王志强[7-8]采用理论和数值模拟相结合的方法研究了错层位外措式沿空掘巷机理及相邻巷道的立体化联合支护技术；李生鑫[9]通过理论分析和数值模拟，研究了煤柱的合理宽度，确定煤柱宽度为8 m；邢海天[10]采用胀锁式对穿锚索加固沿空掘巷留设煤柱，阐述了沿空掘巷留设煤柱的双向加固机理。

综上可见，沿空巷道护巷煤柱合理宽度取值尚未形成统一认识。鉴于此，本文依据开滦集团范各庄矿7 号煤地质采矿条件，采用UDEC 离散元数值模拟程序，对留设不同宽度煤柱沿空巷道围岩稳定性进行分析，确定合理的护巷煤柱宽度，并以工程应用效果进行验证。

1 模拟巷道采矿地质条件

本次以范各庄矿7 号煤层2375 工作面回采巷道为研究对象。模拟范围内煤层平均埋深450 m，煤层厚度平均为4.1 m。巷道断面为矩形，尺寸为4 m×2.8 m，沿着煤层底部掘进，顶上留有一层较厚煤层作为顶板，巷道顶底板结构及岩性见表1。

表1 巷道顶底板结构及岩性Table 1 Structure and lithology of roadway roof and floor

2 模型建立

上区段工作面开挖完后形成采空区，沿空掘巷受到采空区侧向支承压力与本工作面的超前采动支承压力的叠加作用，其围岩以及煤柱裂隙发育、破碎，采用数值计算软件UDEC4.0 模拟分析沿空掘巷围岩及煤柱的稳定性。

基于范各庄矿7 号煤层的钻孔资料建立500 m（宽） ×230 m（高） 的模型。模型顶部施加等效于上覆岩层自重的均布载荷5.5 MPa（上覆岩层容重25 kN/m）3，模型两边水平约束，底部固定约束，留设巷道煤柱宽度分别为1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、30、50 m。岩体和节理均采用Mohr-Coulomb 模型，块体模型如图1 所示。

图1 数值模拟力学模型Fig.1 Mechanical models of numerical simulation

3 数值模拟结果分析

3.1 巷道围岩变形及塑性区

煤柱宽度为5 m 时的巷道围岩变形及塑性区分布特征，如图2 所示。由图分析可知，沿空掘巷留设保护煤柱宽度为5 m 时，巷道顶底板最大变形量约为300 mm；巷道两帮（煤体、煤柱） 最大变形量约为150 mm；巷道围岩最大塑性区范围约为8 m，其中煤柱已全部发生塑性变形，巷道开挖完成后仍保留有较好断面率，保障了生产需求。

图2 煤柱宽为5 m时巷道围岩变形及塑性区分布Fig.2 Deformation and plastic zone distribution of roadway surrounding rock with 5 m of coal pillar width

不同煤柱宽度条件下巷道围岩变形情况，如图3 所示。由图分析可知：①随着留设煤柱加宽，煤柱压缩量、巷道两帮及顶底板的相对移近量逐渐减小，这由于煤柱加宽，其自身抗变形能力增加，进而可控制巷道顶板小结构的稳定；②煤柱宽度超过5 m，煤柱压缩量、巷道两帮及顶底板的相对移近量变化规律均趋于稳定。

图3 不同煤柱宽度条件下巷道围岩变形量Fig.3 Deformation of roadway surrounding rock under different coal pillar widths

3.2 围岩应力分布

不同煤柱宽度条件下巷道围岩内应力分布规律，如图4 所示。由图分析可知：①煤柱宽度增加，煤柱、顶板和底板中最大应力值逐渐增大并趋于稳定，这是由于煤柱宽度的增加导致应力峰值向煤柱侧转移的结果；②煤柱宽度超过8 m，煤柱宽度增加，煤柱内的最大应力值变化幅度较小，保持在21 MPa 左右；而底板中最大应力值不断增加至约20 MPa，可能由于巷道处于侧向支承压力高峰区内，导致巷道围岩受力增加，对围岩控制不利。可见，该工况条件下沿空掘巷护巷煤柱的宽度不应当超过8 m。

图4 不同煤柱宽度时巷道围岩应力分布Fig.4 Stress distribution of roadway surrounding rock with different coal pillar widths

综上可知，结合巷道围岩变形和应力分布变化规律范各庄矿2375 工作面回采巷道合理的煤柱宽度范围应为5 ～8 m。

4 工程应用

范各庄矿2375 工作面运输巷实际设计沿空掘巷护巷煤柱宽度为5.5 m。采取了合理支护措施，具体方案如下。

（1） 顶板采用φ20 mm×2 400 mm 等强无纵筋左旋螺纹钢锚杆、金属网和钢带进行联合支护；采用φ17.8 mm×7 300 mm 小孔径锚索和预应力钢铰线桁架进行加强支护。锚杆间排距为700 mm×800 mm，锚索排距为2.4 m，即每3 排锚杆中间布置1 排，每排2 根，每根锚索分别距煤帮1.0 m，垂直顶板布置；钢铰线桁架的排距为2.4 m，每3排锚杆布置1 套桁架，分别占用相应的锚杆位置，但钢铰线桁架与锚索排等间距布置，部分地段顶板实施注浆加固。

两帮采用φ20 mm×2 400 mm 高强度无纵筋左旋螺纹钢锚杆、钢带和金属网联合支护，采用φ17.8 mm×6 500 mm 预应力钢铰线桁架进行加强支护，对全地段窄煤柱帮和部分地段实煤体帮实施注浆加固。锚杆间排距为800 mm×800 mm、钢铰线桁架排距为1.6 m，如图5 所示。

图5 断面支护设计Fig.5 Section support design

2375 工作面运输巷掘进期间和回采期间，监测了巷道的表面位移，结果如图6 所示。由图分析得出：①随掘进面向前推进，围岩变形逐渐增大，掘进面推进200 m 后，围岩变形速度开始减小；②随回采面向前推进，沿空巷道超前影响范围约为60 m。

图6 掘进及回采期间巷道围岩应力及变形规律Fig.6 Stress and deformation lawof roadway surrounding rock during excavation and mining

综上所述，当沿空掘巷护巷煤柱宽度为5.5 m时，在掘进与回采期间顶底板累计最大移近量约为1 500 mm，两帮累计最大移近量约为1 800 mm，掘巷断面能够保持原断面的66%以上，满足安全生产使用要求。

5 结 论

（1） 分析巷道围岩变形和应力情况，煤柱宽度小于8 m 时，煤柱尺寸大小及强度是影响巷道围岩稳定的主要因素；煤柱宽度超过8 m 时，煤柱上所承受的载荷为影响巷道围岩稳定的主要因素。

（2） 结合范各庄矿具体条件，数值模拟得出不同护巷煤柱宽度下巷道围岩变形特征及应力分布规律，并最终确定厚煤层沿空掘巷护巷煤柱的合理宽度范围为5 ～8 m。

（3） 根据护巷煤柱稳定性要求，范各庄矿2375 工作面沿空掘巷护巷煤柱宽度设计为5.5 m，巷道变形后断面仍保持在原断面的66%以上，满足了生产和巷道要求。