剧烈采动影响下沿空巷道煤柱尺寸优化研究

谢中辉 周长宽 毕青泉

（陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713600）

1 工程概况

陕西正通煤业三盘区302 工作面东侧为301 工作面，布置如图1。工作面煤层平均厚度为12.2 m，直接顶为1.23 m 的泥岩，基本顶为10.79 m 的细砂岩，直接底为0.6 m 的碳质泥岩，其下为2.32 m 厚的泥岩。

图1 工作面布置平面图

工作面巷道为矩形断面，掘进宽6 m、高3.9 m。工作面之间采用小煤柱保护顺槽巷道，301 工作面运输巷属于沿空动压巷道，巷道掘进和使用期间受多次剧烈采动的影响，导致巷道大变形破坏。为了达到安全高效的采煤目的，急需对合理的小煤柱留设宽度以及剧烈采动作用下的巷道围岩支护技术进行系统研究。

2 煤柱合理尺寸计算

合理的煤柱尺寸应该能够使巷道避开相邻工作面覆岩运动演化过程中形成的侧向支承压力集中区，从而使沿空巷道布置在低应力区域内。基本顶断裂位置x0按下式取值[1-3]：

式中：m为采高，m；A为侧压系数，1.8；φ0为内摩擦角，（°）；γ为覆岩的平均体积力，kN/m3；C0为内聚力，MPa；K为应力集中系数；H为埋深，m；Pz为相邻工作面巷道煤帮的支护阻力，MPa。

根据该矿相关参数计算得x0=14.7 m，考虑巷道宽度6.0 m，则煤柱尺寸在8.7 m 以内时符合要求。经调研，相近条件矿井的区段煤柱尺寸一般为5～8 m。

3 煤柱合理留设宽度数值分析

3.1 模型建立

根据理论分析以及现场实际情况，开展了6 种不同条件下的数值模拟优化煤柱尺寸，煤柱尺寸分别为3 m、5 m、7 m、9 m、15 m、20 m。计算模型的尺寸为高110 m、宽300 m、长500 m。模型中生成有384 000 个单元和401 841 个节点。302 回风巷道、区段煤柱以及301 运输巷道为重点研究区域，因此将该部分的网格进行细化，如图2。另外，模型上部作用20 MPa 的垂直应力，用以模拟工作面上方800 m 厚岩层所产生的重力。在煤岩本构模型方面，主要选用软件自带的摩尔-库伦模型，具体参数见表1。为了真实还原采空区的压实效应，该部分使用双屈服模型[4-5]。

表1 模型岩层力学参数

图2 数值模型图（m）

3.2 模拟结果

图3 为在301 工作面不同煤柱尺寸工况条件进行计算，得到的应力分布及塑性区图。在相邻工作面开采时，煤柱侧产生塑性变形破坏，垂直应力转移到深处。当煤柱宽度小于7 m 时，煤柱完全处于塑性区，此时煤柱的抗压能力有限；当煤柱宽度超过9 m 时，煤柱不完全处于塑性区，未破坏的煤柱可以具有更强的承载能力，煤柱的垂直应力集中程度增加。具体分析如下：

图3 不同煤柱尺寸条件下垂直应力及塑性区分布

1）煤柱尺寸5 m 时，其达到完全塑性破坏状态，塑性破坏区已经深入到顶板内部9 m 的位置，巷道变形较大。由于煤柱承载性能较弱，因此最大垂直应力仅为27 MPa，应力集中在实体煤侧。

2）煤柱尺寸7 m 时，虽然也完全出现塑性破坏，但塑性区的整体范围缩小，而煤柱的承载能力显著增强，其平均应力可达到42 MPa，但此时的集中应力仍集中在实体煤的一侧。

3）煤柱尺寸9 m 时，仍有大部分煤柱发生塑性破坏，煤柱中部仍有少量的未塑性破坏区域，巷道周围的塑性区域进一步减少，煤柱的承载力进一步提高，此时煤柱中出现两个集中应力：一个是工作面开挖引起的超前支承压力；一个是巷道开挖引起的侧向集中应力。两个集中应力相互叠加，因此集中应力较大，为60 MPa，此时煤柱将承受较大载荷。

4）煤柱尺寸15 m 时，有小范围的塑性破坏区域出现在了工作面前方和巷道表面的煤柱内，而煤柱中部有较大范围破坏，此时，煤柱具有较强的承载能力。两个集中应力并未叠加，因此此时煤柱中最大的垂直应力为56 MPa。此时，煤柱仍然承担着较大的压力。

5）煤柱尺寸20 m 时，煤柱塑性区较少，仅分布在巷道外侧3～4 m 内，煤柱弹性区逐渐扩大，煤柱中两集中应力并未叠加。

图4 为依据变形量统计绘制的曲线图。由图4分析可得，工作面开挖之后，围岩呈现出非对称性变形，其煤柱帮的变形量明显比实体煤侧煤帮的更大，且不同煤柱尺寸条件下煤柱帮围岩表面位移量变化较为明显。

图4 不同煤柱尺寸围岩变形分布及变形量统计曲线图

随煤柱尺寸的增加，巷道变形量整体上不断减小，但巷道不同部位变形规律不同。其中，巷道煤柱侧的变形是重点关注对象，它受煤柱宽度的影响较大。具体规律为：1）在煤柱小于7 m 时，煤柱变形随着煤柱宽度的增大而减小；2）在煤柱大于7 m 时，煤柱变形与煤柱宽度为正相关关系。这主要是由于超前支承压力和巷道侧向集中应力的叠加以及煤柱塑性破坏状态而引起的。由巷道变形量结合巷道垂直应力和塑性区范围分析可知，在煤柱宽度为3～5 m 时，煤柱严重破碎，几乎不再有承载的能力，变形剧烈；煤柱尺寸7 m 时，煤柱支承能力开始逐渐变大，抵抗变形的能力逐渐提高，表明这一宽度范围内的煤柱具有较好的稳定性；煤柱宽度为9 m 时，由于巷道侧向集中应力和超前支承压力的共同作用，煤柱中的垂直应力更大，因此煤柱帮部变形量开始增大；由图3（b）结果显示煤柱宽度超过15 m 时，塑性区域分布范围减少，且两个应力集中区逐渐出现在煤柱内，应力集中系数较小，围岩变形不明显。

巷道的变形在留设7 m 宽的窄煤柱时比留设宽度超过20 m 的大尺寸煤柱时要多一部分，但是7 m 的窄煤柱合理地避开了侧向支承压力集中分布区域；而且窄煤柱也可以提供有效支撑作用，在选择合理支护方法条件下，窄煤柱是可以有效抵制巷道围岩变形的，同时又能多回收煤炭资源。

4 应用效果分析

综合以上研究结果，设计选用7 m 宽的窄煤柱。为了验证301 与302 工作面间留设7 m 宽区段煤柱的合理性，在301 工作面运输巷400～500 m 区间内，间隔50 m 布置3 个测站，监测得到的结果如图5。

图5 301 运输巷表面位移实测结果

综合分析3 个测站的观测结果可以得到，工作面前方100 m 左右区域内受到超前支承压力的影响开始变形，前方50 m 区域内受到的影响较为剧烈。

整个观测期间，由顺槽围岩变形量及其移近率可知，301 工作面运输顺槽顶底板的最大移近量为185.0 mm，顶底板移近率 5.1%，两帮最大移近量为154.3 mm，两帮移近率 3.1%。总的来看，巷道围岩的变形量仍然处于可控范围内，可以采用合理的超前加强支护方法，保证巷道能够满足使用要求。

5 结论

1）经理论计算，煤柱宽度小于8.7 m 则顺槽位于内应力场内。

2）模拟表明煤柱侧变形量显著大于实体煤侧，表现出非对称性。这是由于在采动作用下，煤柱发生塑性破坏承载能力降低。

3）对比不同煤柱尺寸条件下的数值模拟结果发现，煤柱尺寸为7 m 时巷道围岩可以有效控制。

4）现场实测表明，301 和302 工作面间留设7 m 宽区段煤柱，通过合理超前加强支护，巷道整体上能够满足使用要求。