劇烈采動影響下沿空巷道煤柱尺寸優(yōu)化研究

謝中輝 周長寬 畢青泉

（陜西正通煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽 713600）

1 工程概況

陜西正通煤業(yè)三盤區(qū)302 工作面東側(cè)為301 工作面，布置如圖1。工作面煤層平均厚度為12.2 m，直接頂為1.23 m 的泥巖，基本頂為10.79 m 的細砂巖，直接底為0.6 m 的碳質(zhì)泥巖，其下為2.32 m 厚的泥巖。

圖1 工作面布置平面圖

工作面巷道為矩形斷面，掘進寬6 m、高3.9 m。工作面之間采用小煤柱保護順槽巷道，301 工作面運輸巷屬于沿空動壓巷道，巷道掘進和使用期間受多次劇烈采動的影響，導致巷道大變形破壞。為了達到安全高效的采煤目的，急需對合理的小煤柱留設寬度以及劇烈采動作用下的巷道圍巖支護技術進行系統(tǒng)研究。

2 煤柱合理尺寸計算

合理的煤柱尺寸應該能夠使巷道避開相鄰工作面覆巖運動演化過程中形成的側(cè)向支承壓力集中區(qū)，從而使沿空巷道布置在低應力區(qū)域內(nèi)?；卷敂嗔盐恢脁0按下式取值[1-3]：

式中：m為采高，m；A為側(cè)壓系數(shù)，1.8；φ0為內(nèi)摩擦角，（°）；γ為覆巖的平均體積力，kN/m3；C0為內(nèi)聚力，MPa；K為應力集中系數(shù)；H為埋深，m；Pz為相鄰工作面巷道煤幫的支護阻力，MPa。

根據(jù)該礦相關參數(shù)計算得x0=14.7 m，考慮巷道寬度6.0 m，則煤柱尺寸在8.7 m 以內(nèi)時符合要求。經(jīng)調(diào)研，相近條件礦井的區(qū)段煤柱尺寸一般為5～8 m。

3 煤柱合理留設寬度數(shù)值分析

3.1 模型建立

根據(jù)理論分析以及現(xiàn)場實際情況，開展了6 種不同條件下的數(shù)值模擬優(yōu)化煤柱尺寸，煤柱尺寸分別為3 m、5 m、7 m、9 m、15 m、20 m。計算模型的尺寸為高110 m、寬300 m、長500 m。模型中生成有384 000 個單元和401 841 個節(jié)點。302 回風巷道、區(qū)段煤柱以及301 運輸巷道為重點研究區(qū)域，因此將該部分的網(wǎng)格進行細化，如圖2。另外，模型上部作用20 MPa 的垂直應力，用以模擬工作面上方800 m 厚巖層所產(chǎn)生的重力。在煤巖本構模型方面，主要選用軟件自帶的摩爾-庫倫模型，具體參數(shù)見表1。為了真實還原采空區(qū)的壓實效應，該部分使用雙屈服模型[4-5]。

表1 模型巖層力學參數(shù)

圖2 數(shù)值模型圖（m）

3.2 模擬結果

圖3 為在301 工作面不同煤柱尺寸工況條件進行計算，得到的應力分布及塑性區(qū)圖。在相鄰工作面開采時，煤柱側(cè)產(chǎn)生塑性變形破壞，垂直應力轉(zhuǎn)移到深處。當煤柱寬度小于7 m 時，煤柱完全處于塑性區(qū)，此時煤柱的抗壓能力有限；當煤柱寬度超過9 m 時，煤柱不完全處于塑性區(qū)，未破壞的煤柱可以具有更強的承載能力，煤柱的垂直應力集中程度增加。具體分析如下：

圖3 不同煤柱尺寸條件下垂直應力及塑性區(qū)分布

1）煤柱尺寸5 m 時，其達到完全塑性破壞狀態(tài)，塑性破壞區(qū)已經(jīng)深入到頂板內(nèi)部9 m 的位置，巷道變形較大。由于煤柱承載性能較弱，因此最大垂直應力僅為27 MPa，應力集中在實體煤側(cè)。

2）煤柱尺寸7 m 時，雖然也完全出現(xiàn)塑性破壞，但塑性區(qū)的整體范圍縮小，而煤柱的承載能力顯著增強，其平均應力可達到42 MPa，但此時的集中應力仍集中在實體煤的一側(cè)。

3）煤柱尺寸9 m 時，仍有大部分煤柱發(fā)生塑性破壞，煤柱中部仍有少量的未塑性破壞區(qū)域，巷道周圍的塑性區(qū)域進一步減少，煤柱的承載力進一步提高，此時煤柱中出現(xiàn)兩個集中應力：一個是工作面開挖引起的超前支承壓力；一個是巷道開挖引起的側(cè)向集中應力。兩個集中應力相互疊加，因此集中應力較大，為60 MPa，此時煤柱將承受較大載荷。

4）煤柱尺寸15 m 時，有小范圍的塑性破壞區(qū)域出現(xiàn)在了工作面前方和巷道表面的煤柱內(nèi)，而煤柱中部有較大范圍破壞，此時，煤柱具有較強的承載能力。兩個集中應力并未疊加，因此此時煤柱中最大的垂直應力為56 MPa。此時，煤柱仍然承擔著較大的壓力。

5）煤柱尺寸20 m 時，煤柱塑性區(qū)較少，僅分布在巷道外側(cè)3～4 m 內(nèi)，煤柱彈性區(qū)逐漸擴大，煤柱中兩集中應力并未疊加。

圖4 為依據(jù)變形量統(tǒng)計繪制的曲線圖。由圖4分析可得，工作面開挖之后，圍巖呈現(xiàn)出非對稱性變形，其煤柱幫的變形量明顯比實體煤側(cè)煤幫的更大，且不同煤柱尺寸條件下煤柱幫圍巖表面位移量變化較為明顯。

圖4 不同煤柱尺寸圍巖變形分布及變形量統(tǒng)計曲線圖

隨煤柱尺寸的增加，巷道變形量整體上不斷減小，但巷道不同部位變形規(guī)律不同。其中，巷道煤柱側(cè)的變形是重點關注對象，它受煤柱寬度的影響較大。具體規(guī)律為：1）在煤柱小于7 m 時，煤柱變形隨著煤柱寬度的增大而減??；2）在煤柱大于7 m 時，煤柱變形與煤柱寬度為正相關關系。這主要是由于超前支承壓力和巷道側(cè)向集中應力的疊加以及煤柱塑性破壞狀態(tài)而引起的。由巷道變形量結合巷道垂直應力和塑性區(qū)范圍分析可知，在煤柱寬度為3～5 m 時，煤柱嚴重破碎，幾乎不再有承載的能力，變形劇烈；煤柱尺寸7 m 時，煤柱支承能力開始逐漸變大，抵抗變形的能力逐漸提高，表明這一寬度范圍內(nèi)的煤柱具有較好的穩(wěn)定性；煤柱寬度為9 m 時，由于巷道側(cè)向集中應力和超前支承壓力的共同作用，煤柱中的垂直應力更大，因此煤柱幫部變形量開始增大；由圖3（b）結果顯示煤柱寬度超過15 m 時，塑性區(qū)域分布范圍減少，且兩個應力集中區(qū)逐漸出現(xiàn)在煤柱內(nèi)，應力集中系數(shù)較小，圍巖變形不明顯。

巷道的變形在留設7 m 寬的窄煤柱時比留設寬度超過20 m 的大尺寸煤柱時要多一部分，但是7 m 的窄煤柱合理地避開了側(cè)向支承壓力集中分布區(qū)域；而且窄煤柱也可以提供有效支撐作用，在選擇合理支護方法條件下，窄煤柱是可以有效抵制巷道圍巖變形的，同時又能多回收煤炭資源。

4 應用效果分析

綜合以上研究結果，設計選用7 m 寬的窄煤柱。為了驗證301 與302 工作面間留設7 m 寬區(qū)段煤柱的合理性，在301 工作面運輸巷400～500 m 區(qū)間內(nèi)，間隔50 m 布置3 個測站，監(jiān)測得到的結果如圖5。

圖5 301 運輸巷表面位移實測結果

綜合分析3 個測站的觀測結果可以得到，工作面前方100 m 左右區(qū)域內(nèi)受到超前支承壓力的影響開始變形，前方50 m 區(qū)域內(nèi)受到的影響較為劇烈。

整個觀測期間，由順槽圍巖變形量及其移近率可知，301 工作面運輸順槽頂?shù)装宓淖畲笠平繛?85.0 mm，頂?shù)装逡平?5.1%，兩幫最大移近量為154.3 mm，兩幫移近率 3.1%?？偟膩砜矗锏绹鷰r的變形量仍然處于可控范圍內(nèi)，可以采用合理的超前加強支護方法，保證巷道能夠滿足使用要求。

5 結論

1）經(jīng)理論計算，煤柱寬度小于8.7 m 則順槽位于內(nèi)應力場內(nèi)。

2）模擬表明煤柱側(cè)變形量顯著大于實體煤側(cè)，表現(xiàn)出非對稱性。這是由于在采動作用下，煤柱發(fā)生塑性破壞承載能力降低。

3）對比不同煤柱尺寸條件下的數(shù)值模擬結果發(fā)現(xiàn)，煤柱尺寸為7 m 時巷道圍巖可以有效控制。

4）現(xiàn)場實測表明，301 和302 工作面間留設7 m 寬區(qū)段煤柱，通過合理超前加強支護，巷道整體上能夠滿足使用要求。