马金录

(郑州煤炭工业(集团) 杨河煤业有限公司，河南 新密 452382)

无煤柱护巷技术由于巷道布置在应力降低区，巷道容易维护、提高成巷速度、降低煤炭损失，是目前煤矿广泛使用的安全高效的巷道留设方法。 无煤柱护巷分2种形式，即沿空留巷、留窄小煤柱沿空掘巷，由于煤柱能够阻隔采空区的水与有害气体的串入，留窄小煤柱沿空掘巷[1]是煤矿尤其是水或瓦斯赋存丰富的煤矿最为常见的无煤柱护巷方法，其中煤柱宽度的留设与巷道内设计是该方法的关键[2]，虽然巷道布置在采空区边缘的应力降低区内，改变了原有的应力平衡[3]，但是对应力场的扰动较轻，有利于巷道的安全。煤柱的稳定决定了巷道围岩的稳定性，合理的煤柱尺寸[4-6]对于巷道稳定性、煤炭回收率以及工作面的安全接替具有重要意义[7-9]。本文以某矿专用回风巷为背景，通过理论计算确定煤柱宽度的留设范围，结合数值模拟的方法对留设不同宽度的煤柱时的应力、位移分布规律及安全稳定性进行分析，对比确定煤柱的最佳宽度，为工程实践提供参考。

1 工程概况

某矿相对瓦斯涌出量为11 m3/t，属于高瓦斯矿井，1101工作面主采厚2.1～4.2 m(平均厚3.2 m)的2号煤层，煤层结构简单，顶板为细砂岩，底板为粉砂岩。综合该矿煤层条件分析，确定沿空掘进的专用回风大巷位于西大巷轨道巷与1101工作面之间宽40 m的保护煤柱内，沿2号煤层底板掘进的巷道，专用回风巷服务年限较长，巷道距采空区距离选取较为关键。专用回风巷位置如图1所示。

图1 专用回风巷位置

2 小煤柱宽度的理论计算

煤柱中塑性区的宽度即支承压力峰值与煤壁的距离是小煤柱宽度确定的前提，根据其宽度进而可以确定煤柱宽度的范围，利用经验公式计算支承压力峰值距煤壁的距离B：

B=15-0.475f0-0.16RC-0.2α+1.6m+1.7h

(1)

式中，f0为煤层坚固性系数，取2；RC为顶板岩石单向抗压强度，取40 MPa；α为煤层倾角，取10°；m为采高，取3.2 m；h为煤层深度，取1 km。

将各参数代入式(1)计算得，B=16.04 m。

采空区侧煤体中在工作面开采后产生的塑性区宽度x0为：

(2)

式中，m为煤层厚度，取3.2 m；A为侧压系数，取2.5；φ0为煤体的内摩擦角，取30°；k为应力集中系数，取3.5；ρ为上覆岩层平均密度，取 3.5 t/m3；h为煤层埋深，取1 000 m；c为煤体的黏聚力，取1.2 MPa；p为支架对煤帮的阻力，取 0.1 MPa。

计算得到x0=15.03 m。

综合2种理论计算得出的煤柱宽度临界宽度可知，15.03 m是小煤柱最大留设宽度，此时能够使得巷道处于应力降低区内，避免支承压力峰值。

3 数值模型建立

根据掘进巷道地质状况，得出模拟岩层力学参数，见表1。

表1 模拟岩层力学参数

利用FLAC3D模拟沿1101工作面采空区边缘留设小煤柱沿空掘巷，研究煤柱和专用回风巷的稳定性。模拟煤层厚3.2 m，直接顶和基本顶厚度分别为6、9 m，直接底和基本底厚度分别为2.4、6.4 m，上覆和下伏岩层各取20 m。将专用回风巷左侧20 m和右侧30 m煤体划分为1.0 m×0.5 m(宽×高，以下同)块体，直接顶划分为1.0 m×0.6 m块体，基本顶划分为1.0 m×1.5 m块体，直接底划分为1.0 m×0.8 m块体，基本底划分为1.0 m×1.6 m块体；将另两侧煤体划分为2.0 m×0.5 m块体，直接顶划分为2.0 m×0.6 m块体，基本顶划分为2.0 m×1.5 m块体，直接底划分为2.0 m×0.8 m块体，基本底划分为2.0 m×1.6 m块体。模型尺寸为188 m×67.5 m，其底部边界沿垂直方向固定，而左右边界沿水平方向固定，如图2所示。

图2 数值模拟模型

4 窄煤柱合理宽度的确定

根据理论分析结果，设计窄煤柱宽度小于15.03 m的7种方案进行选优：方案①—方案⑦煤柱宽度分别为3、4、5、6、8、10、15 m。

4.1 煤柱宽度对应力分布影响

当在7种不同煤柱宽度下，巷道掘进过程中，沿煤柱宽度方向的应力分布如图3所示，煤柱宽度与垂直应力的关系如图4所示。

图3 沿煤柱宽度方向垂直应力分布

图4 煤柱宽度与垂直应力的关系

由图3、图4可知，煤柱的宽度对垂直应力大小及其分布具有显著影响，当煤柱宽度大于4 m时，煤柱宽度与垂直应力呈非线性增长，随着煤柱宽度的增加，垂直应力增大，但增大幅度逐渐降低；当煤柱宽度为4 m时垂直应力峰值为16.71 MPa，当煤柱宽度为15 m时则达到 31.1MPa，煤柱的稳定受煤柱内垂直应力的影响，垂直应力峰值越大越不利于煤柱的稳定；当煤柱宽度比较小时如3 m，其垂直应力峰值为19.27 MPa，较煤柱为4 m时的应力峰值大。由图4可以看出，垂直应力最小值出现在煤柱宽度为4～5 m时，此时最有利于煤柱的稳定。当煤柱宽度超过10 m，垂直应力峰值基本稳定。

峰值点距煤柱帮距离与煤柱宽度呈正相关，当煤柱宽度小于6 m时，曲线呈下凹状，该距离与煤柱宽度呈正相关，但其增加幅度较小，当煤柱宽度大于6 m时，峰值距煤柱帮得距离随宽度的增加呈近似线性增加，当煤柱宽度大于10 m时，增加的趋势逐渐放缓，如图5所示。

图5 煤柱宽度与峰值距煤柱帮距离的关系

4.2 煤柱宽度对位移分布的影响

7种不同宽度煤柱情况下，巷道掘进期间煤柱内水平位移分布如图6所示，煤柱宽度与其表面位移的关系如图7所示。其中，向采空区内侧位移用负值表示，向巷道内位移用正值表示。

图6 掘进时不同宽度煤柱内的水平位移分布

由图6、图7可以看出，当煤柱宽度小于8 m时，煤柱内向巷道内的位移与煤柱宽度呈正相关，即水平位移随煤柱宽度的增大而增大，当煤柱宽度大于8 m时，二者呈负相关。当煤柱宽度大于10 m时，煤柱内向巷道内的位移基本趋于稳定。3 m宽度煤柱表现出明显的不稳定变形趋势；4～5m宽度煤柱有较小的向巷道内位移量；6～9 m宽度煤柱的向巷道内位移量增长迅速且呈近似线性增长，10～15 m宽度煤柱向巷道内的位移变化虽小，但明显大于4～5 m宽度煤柱宽时的向巷道内位移量。

图7 掘巷期间煤柱宽度与其表面位移的关系

综上所述，通过对不同煤柱宽度下工作面沿空掘巷进行模拟分析，综合对比分析应力及位移分布，确定4～5 m为沿空留巷窄小煤柱的最佳宽度。

5 结论

(1)根据采煤工作面相关参数，基于理论计算确定沿空掘巷小煤柱宽度最大为15.03 m。

(2)当煤柱宽度为4～5 m时，煤柱内垂直应力峰值最小；当煤柱宽度大于10 m时，垂直应力峰值基本趋于稳定。煤柱向巷道内的位移相对较小且煤柱中部位移稳定，煤柱向巷道内的位移峰值为煤柱宽度为8 m处，当煤柱宽度大于10 m时，煤柱向巷道内位移趋于稳定。

(3)沿空掘巷留设小煤柱宽度范围为4～5 m。

相似地质条件下采用以上小煤柱留设方式，能取得较好的应用效果。