鐘偉偉，劉廣林，秦振華

(榆林市榆陽區(qū)金牛煤礦，陜西 榆林 719000)

0 引言

近年來，隨著開采深度及強度的增加，強動力現(xiàn)象劇烈，冒頂、倒架等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，傳統(tǒng)留設30～40 m煤柱布置已經(jīng)不能滿足圍巖控制要求。在煤柱留設方面目前主要有沿空留巷和沿空掘巷兩種方式。沿空留巷是在采煤工作面后沿采空區(qū)邊緣維護原回采巷道，其煤柱及巷道需承受兩側(cè)工作面回采擾動影響，且需等待下一工作面順槽掘出后，該方法對于普通條件下的巷道變形控制效果良好，但對于強沖擊條件下的巷道變形控制效果一般[1-3]；沿空掘巷是在上工作面回采結(jié)束后，通過留設小煤墻的方式來改變巷道整體圍巖的應力分布，繼而減弱或消除巷道圍巖應力集中而進行的掘進作業(yè)，此方法不僅可以避免一側(cè)采動帶來的直接擾動影響，而且相對沿空留巷、沿空掘巷的巷道穩(wěn)定性更高[4-7]。

在煤柱穩(wěn)定性和合理留設寬度方面，國內(nèi)外學者進行了諸多研究。侯朝炯[8]等通過對煤柱設計的研究，詮釋了沿空掘巷回采巷道基本頂?shù)臄嗔堰\動規(guī)律，將弧形三角形關(guān)鍵塊體視為圍巖大結(jié)構(gòu)，煤柱的穩(wěn)定性及圍巖的支護強度視為小結(jié)構(gòu)，指出小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受大結(jié)構(gòu)影響，同時系統(tǒng)闡述了綜放沿空掘巷大小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理；韓承強[9]等分析了沿空掘巷不同寬度煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤柱寬度對圍巖變形有較大影響，小煤柱內(nèi)邊緣靠近本區(qū)段工作面4 m進入塑性破壞狀態(tài)，沿空掘巷留設6～8 m煤柱時，存在一定寬度的彈性核；劉建剛[10]等研究了孤島工作面煤柱留設問題，發(fā)現(xiàn)留設4 m煤柱時，圍巖穩(wěn)定性最好，能滿足孤島面強動力現(xiàn)象控制需求。沿空掘巷煤柱作為強沖擊地壓條件下圍巖應力分布控制的重要組成部分，其穩(wěn)定性直接影響巷道整體的穩(wěn)定性，所以煤柱的穩(wěn)定性研究及合理留設寬度的確定是保證深部沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的重要內(nèi)容。

以高家堡煤礦204工作面為研究背景，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，在分析不同寬度煤柱應力分布和位移特征的基礎上，對該條件下的沿空掘巷煤柱的穩(wěn)定性及其合理的留設寬度進行研究，旨在改善巷道維護條件，保證礦井安全回采。

1 工程概況

204工作面為二盤區(qū)第4個工作面，位于二盤區(qū)西翼。該面東部和南部為203工作面采空區(qū)，工作面之間留有7 m煤柱；北至4條開拓大巷(西區(qū)輔助運輸大巷、西區(qū)1#回風大巷、西區(qū)2#回風大巷、西區(qū)膠帶大巷)。204工作面走向長1 200 m，傾斜寬200 m，地面標高+943.6～+1 177.7 m，工作面底板標高+70.5～+152.0 m。圖1為204和203工作面位置關(guān)系圖。

圖1 204和203工作面位置關(guān)系圖

204回風順槽設計長度1 507 m，與203工作面運輸順槽相接。按215°方位角掘進，沿底煤2.5 m施工，巷道為矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護，巷道沿煤層傾斜方向掘進，平均坡度6°，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 沿空掘巷煤柱穩(wěn)定性及寬度留設

2.1 煤柱的變形特征

沿空掘巷煤柱：沿空掘巷煤柱是在上區(qū)段工作面回采后，在采空區(qū)冒落矸石穩(wěn)定的條件下，靠近采空區(qū)一側(cè)為沿空掘巷所留設的護巷煤柱。按照傳統(tǒng)護巷煤柱寬度的概念，位于沿空掘巷與采空區(qū)之間，寬度3～7 m的煤柱稱窄煤柱，而寬度20～30 m的煤柱稱為寬煤柱。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

側(cè)向支承壓力：綜放工作面采放以后，由于煤層采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤難以充滿采空區(qū)，老頂下沉發(fā)生斷裂，煤體上的頂板彎曲并以一定角度向采空區(qū)傾斜，側(cè)向支承壓力向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移。在頂板彎曲下沉、支承壓力轉(zhuǎn)移過程中，邊緣煤體被破壞，形成一定厚度的破碎區(qū)。同時，在煤體邊緣一定范圍形成應力降低區(qū)，為沿空掘巷及窄煤柱護巷創(chuàng)造了有利條件。

超前支承壓力：由于巷道掘出后在圍巖內(nèi)形成破碎區(qū)，此時，煤柱兩側(cè)均存在破碎區(qū)，承載能力較小，而新工作面采放時，形成超前支承壓力，在超前支承壓力的作用下煤柱進一步壓縮破碎，使頂板再一次發(fā)生斷裂，巷道壓力及變形量急劇增加。因此綜放工作面沿空掘進的巷道在受到工作面超前支承壓力作用前維護較容易，受到超前采動支承壓力作用時維護困難。

2.2 煤柱中的支承壓力分布特征

研究方法：目前，普遍認為在地應力中起到主導作用的是水平應力和垂直應力，但是地應力又受到褶曲、斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響，這使得地應力場在時間上和空間上的變化復雜多變，給相關(guān)地應力研究帶來了巨大困難。為此，對煤柱中應力的分布特征進行了簡化，主要研究在巖體自重應力影響下煤柱的應力分布情況。

塑性區(qū)和彈性區(qū)：大多數(shù)巖體往往受結(jié)構(gòu)面切割使其整體性喪失，強度降低，在重分布應力作用下，很容易出現(xiàn)塑性變形而改變其原有的物性狀態(tài)。但是塑性松動圈的范圍不會無限擴大，這是由于隨著距離增大，徑向應力由零逐漸增大，應力狀態(tài)由單向轉(zhuǎn)化為雙向應力，莫爾應力圓由強度包絡線相切，逐漸內(nèi)移，圍巖也由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)，從而在圍巖中出現(xiàn)塑性區(qū)和彈性區(qū)。

煤柱載荷：一般認為，護巷煤柱上的荷載是由煤柱上覆巖層重量及煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的。圖2為煤柱載荷示意圖，由圖可見，單位長度煤柱上的總荷載為

(1)

式中：B—煤柱寬度，m；D—采空區(qū)寬度，m；H—巷道埋深，m；φ—采空區(qū)上覆巖層垮落角；γ—煤柱上覆巖層平均容重，kN/m3。

圖2 煤柱載荷示意圖

2.3 穩(wěn)定性分區(qū)

圖3為煤柱支撐壓力分布圖，在回采或掘進巷道時，煤柱邊緣會出現(xiàn)數(shù)倍于γH的應力集中，而在邊緣處，煤柱抗壓強度一般較低，使得邊緣部分遭到不同程度的破壞，集中應力向煤柱深部轉(zhuǎn)移。當煤柱的承載強度與支承壓力達到極限平衡時，煤柱才處于穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)可分為3個區(qū)。其中，Ⅰ為破裂區(qū)，也稱卸載區(qū)；Ⅱ為應力增高區(qū)，承受高于原巖應力的荷載，Ⅰ和Ⅱ區(qū)統(tǒng)稱為塑性區(qū)；Ⅲ為彈性區(qū)。

圖3 煤柱支撐壓力分布

2.4 合理寬度留設原則

對于控制沿空巷道圍巖穩(wěn)定性來說，煤柱寬度的留設是一個重要參數(shù)。由于煤柱本身受相鄰工作面的回采、巷道掘進擾動的影響，煤體破壞程度較高，考慮煤柱自身的隔離作用和巷道支護要求。煤柱寬度的選擇需把握以下原則。

巷道處于應力降低區(qū)：不要在應力集中的地方布置巷道和煤柱，避免支撐應力峰值的影響。相鄰工作面回采后，在采空區(qū)側(cè)向會形成一個應力降低區(qū)，當巷道位于該區(qū)時，煤柱及巷道的穩(wěn)定性均較好。將巷道和煤柱布置在低應力區(qū)域或相對有利的應力環(huán)境內(nèi)，有利于維護巷道和煤柱的穩(wěn)定性。

煤柱自身穩(wěn)定性良好：煤柱寬度直接影響其自身的承載能力，所留設的煤柱寬度都應能保證煤柱自身的極限荷載超過煤柱自身的極限強度。若煤柱過窄，煤柱的承載能力就會很小，穩(wěn)定性也很差，不但煤柱容易破碎，頂板及實體煤幫也比較破碎，巷道圍巖整體性變差，承載能力降低；若煤柱過寬，既不利于提高煤炭采出率，造成煤炭損失，又容易形成應力集中影響巷道圍巖的穩(wěn)定。

有利于提高煤炭采出率：在一定條件下，煤柱越小，采出率越高，在滿足巷道圍巖穩(wěn)定的基礎上，沿空掘巷煤柱寬度應盡可能小。

滿足隔離采空區(qū)的原則：煤柱必須具有良好的隔離性，能較好的封閉采空區(qū)，保證相鄰工作面采空區(qū)與當前工作面隔離，以免發(fā)生漏風、火災、瓦斯及水的進入，同時還需滿足擋矸要求。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

模擬對象：選用FLAC3D進行數(shù)值模擬實驗，模擬對象為高家堡煤礦204綜放工作面沿空掘巷煤柱。建立的模型沿走向長300 m，沿傾向?qū)? m，高度為62 m，圖4為計算模型圖。

圖4 計算模型圖

計算參數(shù)：在計算模型中，對模型兩側(cè)施加水平位移約束，垂直方向自由；底邊則限制垂直方向位移，水平方向自由。在頂部施加均布應力荷載來代替約1 024 m厚上覆巖層的壓力，覆巖壓力取為2.5 MPa/100 m。網(wǎng)格劃分采用非均勻網(wǎng)格劃分，對煤柱部分進行細化處理。本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb屈服準則。各巖層力學見表2。

3.2 模擬方案及結(jié)果分析

203工作面回采后形成的側(cè)向支承壓力在30 m處達到原巖應力范圍，在特定的工程地質(zhì)狀況下，支護參數(shù)、巷道尺寸和工程地質(zhì)條件均已限定，本次主要模擬煤柱寬度為4～30 m情況下煤柱的應力和圍巖變化情況，間隔寬度為2 m，共計14個方案。

煤柱內(nèi)垂直應力場分布特征：采用窄煤柱護巷時，采空區(qū)的側(cè)向支承壓力作用在煤柱上，此時煤柱

表2 煤巖體物理力學參數(shù)

的強度往往不足，但由于巷道布置在應力降低區(qū)，此時煤柱能否滿足護巷的需要還要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果來進行分析。圖5為不同寬度煤柱的垂直應力分布情況，可以看出，煤柱寬度從4 m逐漸增加到30 m時，煤柱上的應力分布形式逐漸發(fā)生改變。其中，4～10 m煤柱內(nèi)應力峰值逐漸上升，在煤柱為10 m時達到應力峰值，最大為35.38 MPa，應力集中系數(shù)為1.41；10～30 m煤柱內(nèi)應力逐漸降低，當達到24 m煤柱時，煤柱內(nèi)的應力逐漸接近原巖應力水平，為27.5 MPa，應力集中系數(shù)為1.1。當煤柱寬度小于6 m時，窄煤柱全部發(fā)生塑性破壞，當煤柱寬度超過6 m小于10 m時，煤柱中存在高應力區(qū)，但是范圍非常小，比塑性區(qū)域小得多；當煤柱寬度達到24 m后，煤柱中彈性區(qū)變大，塑性區(qū)變小，煤柱承載力顯著增加。煤柱的塑性區(qū)逐漸穩(wěn)定在1.5～2.0 m之間。

圖5 不同寬度煤柱垂直應力分布曲線

煤柱內(nèi)水平位移場分布特征：回風順槽掘進期間煤柱在水平方向上的位移變化特征如圖6所示，由圖6可見，本區(qū)段回風順槽掘進后，區(qū)段護巷煤柱隨即產(chǎn)生。根據(jù)煤柱內(nèi)位移變化規(guī)律可知，煤柱整體存在變形破壞情況，其中距離采空區(qū)一側(cè)變形最為嚴重，當煤柱為4 m時變形量最大，為172.09 mm，巷道煤柱幫變形量也在4 m煤柱時達到最大值，為90.79 mm。煤柱內(nèi)的水平變形量隨著煤柱寬度的增加逐漸減小，這說明煤柱越寬護巷效果越好，但是煤柱變形量最大的位置都集中在煤柱表面2～3 m范圍內(nèi)，可以通過在煤柱幫部補打幫錨桿的方式來控制煤柱的水平位移，當留設6 m小煤柱時，煤柱幫的最大水平位移僅為70.69 mm，采用錨網(wǎng)支護可以使巷道變形得到有效控制。

圖6 不同寬度煤柱內(nèi)水平位移變化曲線

綜上所述，高家堡煤礦區(qū)段煤柱的尺寸在8～18 m時，其內(nèi)部應力最高，易發(fā)生沖擊地壓。因此，工作面煤柱的留設可以選擇小于8 m的小煤柱或24 m以上的寬煤柱。但當留設寬煤柱時，無論從應力大小還是影響范圍來看，寬煤柱的影響都較小煤柱嚴重很多。204工作面臨近203采空區(qū)，之間留設6 m小煤柱，既可以提高煤炭回采率又有利于防沖安全性管理。

4 結(jié)論

(1)通過分析煤柱的變形特征、支承壓力分布特征，將煤柱穩(wěn)定狀態(tài)分為破裂區(qū)、卸載區(qū)、彈性區(qū)3個區(qū)。

(2)煤柱寬度合理留設應考慮使巷道處于應力降低區(qū)、煤柱自身穩(wěn)定性、有利于提高煤炭采出率、滿足隔離采空區(qū)需要的4大原則。

(3)采用數(shù)值模擬的方法模擬了不同寬度煤柱的垂直應力場和水平位移場變化特征，通過應力、塑性區(qū)和穩(wěn)定性分析，最終確定了巷道煤柱為6 m。此時，煤柱內(nèi)應力集中程度小，巷道淺部圍巖變形量小且易于控制，可以保證巷道在掘進和回采期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。