钟伟伟，刘广林，秦振华

(榆林市榆阳区金牛煤矿，陕西 榆林 719000)

0 引言

近年来，随着开采深度及强度的增加，强动力现象剧烈，冒顶、倒架等现象频繁发生，传统留设30～40 m煤柱布置已经不能满足围岩控制要求。在煤柱留设方面目前主要有沿空留巷和沿空掘巷两种方式。沿空留巷是在采煤工作面后沿采空区边缘维护原回采巷道，其煤柱及巷道需承受两侧工作面回采扰动影响，且需等待下一工作面顺槽掘出后，该方法对于普通条件下的巷道变形控制效果良好，但对于强冲击条件下的巷道变形控制效果一般[1-3]；沿空掘巷是在上工作面回采结束后，通过留设小煤墙的方式来改变巷道整体围岩的应力分布，继而减弱或消除巷道围岩应力集中而进行的掘进作业，此方法不仅可以避免一侧采动带来的直接扰动影响，而且相对沿空留巷、沿空掘巷的巷道稳定性更高[4-7]。

在煤柱稳定性和合理留设宽度方面，国内外学者进行了诸多研究。侯朝炯[8]等通过对煤柱设计的研究，诠释了沿空掘巷回采巷道基本顶的断裂运动规律，将弧形三角形关键块体视为围岩大结构，煤柱的稳定性及围岩的支护强度视为小结构，指出小结构的稳定性受大结构影响，同时系统阐述了综放沿空掘巷大小结构的稳定性原理；韩承强[9]等分析了沿空掘巷不同宽度煤柱内塑性区分布变化规律，发现煤柱宽度对围岩变形有较大影响，小煤柱内边缘靠近本区段工作面4 m进入塑性破坏状态，沿空掘巷留设6～8 m煤柱时，存在一定宽度的弹性核；刘建刚[10]等研究了孤岛工作面煤柱留设问题，发现留设4 m煤柱时，围岩稳定性最好，能满足孤岛面强动力现象控制需求。沿空掘巷煤柱作为强冲击地压条件下围岩应力分布控制的重要组成部分，其稳定性直接影响巷道整体的稳定性，所以煤柱的稳定性研究及合理留设宽度的确定是保证深部沿空掘巷围岩稳定的重要内容。

以高家堡煤矿204工作面为研究背景，采用理论分析和数值模拟的方法，在分析不同宽度煤柱应力分布和位移特征的基础上，对该条件下的沿空掘巷煤柱的稳定性及其合理的留设宽度进行研究，旨在改善巷道维护条件，保证矿井安全回采。

1 工程概况

204工作面为二盘区第4个工作面，位于二盘区西翼。该面东部和南部为203工作面采空区，工作面之间留有7 m煤柱；北至4条开拓大巷(西区辅助运输大巷、西区1#回风大巷、西区2#回风大巷、西区胶带大巷)。204工作面走向长1 200 m，倾斜宽200 m，地面标高+943.6～+1 177.7 m，工作面底板标高+70.5～+152.0 m。图1为204和203工作面位置关系图。

图1 204和203工作面位置关系图

204回风顺槽设计长度1 507 m，与203工作面运输顺槽相接。按215°方位角掘进，沿底煤2.5 m施工，巷道为矩形断面，采用锚网索支护，巷道沿煤层倾斜方向掘进，平均坡度6°，煤层顶底板情况见表1。

2 沿空掘巷煤柱稳定性及宽度留设

2.1 煤柱的变形特征

沿空掘巷煤柱：沿空掘巷煤柱是在上区段工作面回采后，在采空区冒落矸石稳定的条件下，靠近采空区一侧为沿空掘巷所留设的护巷煤柱。按照传统护巷煤柱宽度的概念，位于沿空掘巷与采空区之间，宽度3～7 m的煤柱称窄煤柱，而宽度20～30 m的煤柱称为宽煤柱。

表1 煤层顶底板情况

侧向支承压力：综放工作面采放以后，由于煤层采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉发生断裂，煤体上的顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，侧向支承压力向煤体内转移。在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度的破碎区。同时，在煤体边缘一定范围形成应力降低区，为沿空掘巷及窄煤柱护巷创造了有利条件。

超前支承压力：由于巷道掘出后在围岩内形成破碎区，此时，煤柱两侧均存在破碎区，承载能力较小，而新工作面采放时，形成超前支承压力，在超前支承压力的作用下煤柱进一步压缩破碎，使顶板再一次发生断裂，巷道压力及变形量急剧增加。因此综放工作面沿空掘进的巷道在受到工作面超前支承压力作用前维护较容易，受到超前采动支承压力作用时维护困难。

2.2 煤柱中的支承压力分布特征

研究方法：目前，普遍认为在地应力中起到主导作用的是水平应力和垂直应力，但是地应力又受到褶曲、断层、陷落柱等地质构造的影响，这使得地应力场在时间上和空间上的变化复杂多变，给相关地应力研究带来了巨大困难。为此，对煤柱中应力的分布特征进行了简化，主要研究在岩体自重应力影响下煤柱的应力分布情况。

塑性区和弹性区：大多数岩体往往受结构面切割使其整体性丧失，强度降低，在重分布应力作用下，很容易出现塑性变形而改变其原有的物性状态。但是塑性松动圈的范围不会无限扩大，这是由于随着距离增大，径向应力由零逐渐增大，应力状态由单向转化为双向应力，莫尔应力圆由强度包络线相切，逐渐内移，围岩也由塑性状态转化为弹性状态，从而在围岩中出现塑性区和弹性区。

煤柱载荷：一般认为，护巷煤柱上的荷载是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的。图2为煤柱载荷示意图，由图可见，单位长度煤柱上的总荷载为

(1)

式中：B—煤柱宽度，m；D—采空区宽度，m；H—巷道埋深，m；φ—采空区上覆岩层垮落角；γ—煤柱上覆岩层平均容重，kN/m3。

图2 煤柱载荷示意图

2.3 稳定性分区

图3为煤柱支撑压力分布图，在回采或掘进巷道时，煤柱边缘会出现数倍于γH的应力集中，而在边缘处，煤柱抗压强度一般较低，使得边缘部分遭到不同程度的破坏，集中应力向煤柱深部转移。当煤柱的承载强度与支承压力达到极限平衡时，煤柱才处于稳定状态，该状态可分为3个区。其中，Ⅰ为破裂区，也称卸载区；Ⅱ为应力增高区，承受高于原岩应力的荷载，Ⅰ和Ⅱ区统称为塑性区；Ⅲ为弹性区。

图3 煤柱支撑压力分布

2.4 合理宽度留设原则

对于控制沿空巷道围岩稳定性来说，煤柱宽度的留设是一个重要参数。由于煤柱本身受相邻工作面的回采、巷道掘进扰动的影响，煤体破坏程度较高，考虑煤柱自身的隔离作用和巷道支护要求。煤柱宽度的选择需把握以下原则。

巷道处于应力降低区：不要在应力集中的地方布置巷道和煤柱，避免支撑应力峰值的影响。相邻工作面回采后，在采空区侧向会形成一个应力降低区，当巷道位于该区时，煤柱及巷道的稳定性均较好。将巷道和煤柱布置在低应力区域或相对有利的应力环境内，有利于维护巷道和煤柱的稳定性。

煤柱自身稳定性良好：煤柱宽度直接影响其自身的承载能力，所留设的煤柱宽度都应能保证煤柱自身的极限荷载超过煤柱自身的极限强度。若煤柱过窄，煤柱的承载能力就会很小，稳定性也很差，不但煤柱容易破碎，顶板及实体煤帮也比较破碎，巷道围岩整体性变差，承载能力降低；若煤柱过宽，既不利于提高煤炭采出率，造成煤炭损失，又容易形成应力集中影响巷道围岩的稳定。

有利于提高煤炭采出率：在一定条件下，煤柱越小，采出率越高，在满足巷道围岩稳定的基础上，沿空掘巷煤柱宽度应尽可能小。

满足隔离采空区的原则：煤柱必须具有良好的隔离性，能较好的封闭采空区，保证相邻工作面采空区与当前工作面隔离，以免发生漏风、火灾、瓦斯及水的进入，同时还需满足挡矸要求。

3 数值模拟

3.1 模型建立

模拟对象：选用FLAC3D进行数值模拟实验，模拟对象为高家堡煤矿204综放工作面沿空掘巷煤柱。建立的模型沿走向长300 m，沿倾向宽2 m，高度为62 m，图4为计算模型图。

图4 计算模型图

计算参数：在计算模型中，对模型两侧施加水平位移约束，垂直方向自由；底边则限制垂直方向位移，水平方向自由。在顶部施加均布应力荷载来代替约1 024 m厚上覆岩层的压力，覆岩压力取为2.5 MPa/100 m。网格划分采用非均匀网格划分，对煤柱部分进行细化处理。本构关系为Mohr-Coulomb屈服准则。各岩层力学见表2。

3.2 模拟方案及结果分析

203工作面回采后形成的侧向支承压力在30 m处达到原岩应力范围，在特定的工程地质状况下，支护参数、巷道尺寸和工程地质条件均已限定，本次主要模拟煤柱宽度为4～30 m情况下煤柱的应力和围岩变化情况，间隔宽度为2 m，共计14个方案。

煤柱内垂直应力场分布特征：采用窄煤柱护巷时，采空区的侧向支承压力作用在煤柱上，此时煤柱

表2 煤岩体物理力学参数

的强度往往不足，但由于巷道布置在应力降低区，此时煤柱能否满足护巷的需要还要根据数值模拟结果来进行分析。图5为不同宽度煤柱的垂直应力分布情况，可以看出，煤柱宽度从4 m逐渐增加到30 m时，煤柱上的应力分布形式逐渐发生改变。其中，4～10 m煤柱内应力峰值逐渐上升，在煤柱为10 m时达到应力峰值，最大为35.38 MPa，应力集中系数为1.41；10～30 m煤柱内应力逐渐降低，当达到24 m煤柱时，煤柱内的应力逐渐接近原岩应力水平，为27.5 MPa，应力集中系数为1.1。当煤柱宽度小于6 m时，窄煤柱全部发生塑性破坏，当煤柱宽度超过6 m小于10 m时，煤柱中存在高应力区，但是范围非常小，比塑性区域小得多；当煤柱宽度达到24 m后，煤柱中弹性区变大，塑性区变小，煤柱承载力显著增加。煤柱的塑性区逐渐稳定在1.5～2.0 m之间。

图5 不同宽度煤柱垂直应力分布曲线

煤柱内水平位移场分布特征：回风顺槽掘进期间煤柱在水平方向上的位移变化特征如图6所示，由图6可见，本区段回风顺槽掘进后，区段护巷煤柱随即产生。根据煤柱内位移变化规律可知，煤柱整体存在变形破坏情况，其中距离采空区一侧变形最为严重，当煤柱为4 m时变形量最大，为172.09 mm，巷道煤柱帮变形量也在4 m煤柱时达到最大值，为90.79 mm。煤柱内的水平变形量随着煤柱宽度的增加逐渐减小，这说明煤柱越宽护巷效果越好，但是煤柱变形量最大的位置都集中在煤柱表面2～3 m范围内，可以通过在煤柱帮部补打帮锚杆的方式来控制煤柱的水平位移，当留设6 m小煤柱时，煤柱帮的最大水平位移仅为70.69 mm，采用锚网支护可以使巷道变形得到有效控制。

图6 不同宽度煤柱内水平位移变化曲线

综上所述，高家堡煤矿区段煤柱的尺寸在8～18 m时，其内部应力最高，易发生冲击地压。因此，工作面煤柱的留设可以选择小于8 m的小煤柱或24 m以上的宽煤柱。但当留设宽煤柱时，无论从应力大小还是影响范围来看，宽煤柱的影响都较小煤柱严重很多。204工作面临近203采空区，之间留设6 m小煤柱，既可以提高煤炭回采率又有利于防冲安全性管理。

4 结论

(1)通过分析煤柱的变形特征、支承压力分布特征，将煤柱稳定状态分为破裂区、卸载区、弹性区3个区。

(2)煤柱宽度合理留设应考虑使巷道处于应力降低区、煤柱自身稳定性、有利于提高煤炭采出率、满足隔离采空区需要的4大原则。

(3)采用数值模拟的方法模拟了不同宽度煤柱的垂直应力场和水平位移场变化特征，通过应力、塑性区和稳定性分析，最终确定了巷道煤柱为6 m。此时，煤柱内应力集中程度小，巷道浅部围岩变形量小且易于控制，可以保证巷道在掘进和回采期间处于稳定状态。