吳志剛，汪占領，石 蒙

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013； 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

在上世紀50年代開始，沿空掘巷在我國許多礦務局開始應用，最初完全意義上的沿空留巷，是在采空區(qū)邊緣使用木支柱，矸石袋、混凝土塊、金屬支柱等多種材料支護巷道。目前很少有嚴格意義上的沿空掘巷，基本上都是在采空區(qū)的邊緣，預留一定寬度的窄煤柱掘進巷道。窄煤柱主要有兩個作用：第一，支撐上覆巖層載荷；第二，防止相鄰采空區(qū)漏風、漏水。對于綜放工作面，沿空掘巷十分有利于巷道維護。國外，如澳、英等國不研究沿空掘巷；美、德等國的區(qū)段煤層平巷均布置在實體煤中；俄羅斯、烏克蘭的沿空掘巷只采用金屬支架支護。

由于綜放窄煤柱護巷的沿空巷道圍巖松軟破碎，國內眾多學者提出綜放窄煤柱護巷的設計原則，侯朝炯、李學華、柏建彪等人根據頂板巖層鉸接結構[1-3]，提出沿空掘巷大小結構分析方法，認為關鍵巖塊B是煤柱穩(wěn)定的關鍵因素，服從S -R (Sliding -Rotation)穩(wěn)定性原理，得出煤柱寬度的公式，認為在中等穩(wěn)定圍巖的煤柱的寬度在3.5～5.0m之間，錨桿支護提高圍巖體的黏聚力和內摩擦角；李棲鳳、柏建彪[4]等分析綜放工作面傾向壓力分布規(guī)律，認為相鄰采空區(qū)煤體邊緣一定范圍(一般0～7 m)內形成應力降低區(qū)，巷道布置在應力降低區(qū)，巷道支護、維護成本低；岳帥帥等人[5]根據礦壓規(guī)律顯現認為巷道應布置在應力降低區(qū)；汪永茂[6]等人根據半年的觀測數據，把煤柱分為3個區(qū)，設計煤柱寬度4m；康立軍[7]在現場實測和理論分析基礎上，認為巷道應布置在應力減低區(qū)，巷道變形最??；王德超[8]通過現場應力監(jiān)測和數值模擬相結合的研究方法確定區(qū)段煤柱合理留設寬度；張科學[9]從采空區(qū)側向支承應力分布規(guī)律和煤柱應力分布、巷道圍巖應力分布、巷道圍巖變形與煤柱寬度的關系等多個方面研究深部煤層群沿空掘巷煤柱尺寸；蘇海[10]采用理論計算和數值模擬相結合研究深部綜放大斷面沿空掘巷小煤柱寬度的難題； 趙國貞[11]把頂板巖層簡化為梁結構，提出沿空掘巷圍巖結構力學模型；楊吉平[12]以沿空掘巷圍巖大、小結構的穩(wěn)定性為理論基礎，認為保持小煤柱的穩(wěn)定性是沿空掘巷穩(wěn)定的根本，根據圍巖強度強化理論，采用高強度高預應力錨網索聯合支護；王衛(wèi)軍[13]等人應用損傷理論分析沿空掘巷實體煤幫的支承壓力分布；張源[14]等人根據圍巖頂板的裂隙統計規(guī)律，認為基本頂的斷裂、回轉和滑移失穩(wěn)是沿空巷道圍巖大變形的根本原因，造成巷道兩幫收斂量大，煤壁破碎，片幫嚴重，錨桿托盤拉脫等；張廣超[15]研究動壓沿空窄煤柱巷道變形特性，綜放沿空巷道頂板呈現非對稱變形破壞特征，表現為煤柱側頂板嚴重下沉、劇烈水平滑移變形及肩角部位頂板錯位、嵌入、臺階下沉等，認為基本頂的破斷和回轉下沉運動是沿空巷道不對稱變形破壞的根本力源，靠煤柱側頂板及肩角部位是巷道變形破壞的關鍵部位；秦海忠、張志青[16-17]等人研究動壓影響窄煤柱的錨桿支護；徐軍[18]采用數值計算的方法研究了王莊煤礦巷道開挖前殘留煤柱初始應力場、位移場分布規(guī)律，揭示窄煤柱寬度對殘留煤柱應力場和位移場的影響規(guī)律；張廣超[19]采用 FLAC3D數值分析了不同煤柱寬度下圍巖主應力差、變形及破壞演化規(guī)律，認為合理煤柱寬度為 6～10m，并結合實際地質和生產條件確定試驗巷道煤柱寬度為8m；華心祝[20]采用 FLAC3D軟件研究孤島工作面沿空掘巷超前支承壓力分布特征。通過建立孤島工作面沿空掘巷基本頂的力學模型，推導出受動壓影響時巷道頂板下沉量的計算公式。支護強度對煤柱穩(wěn)定性影響方面，張源[21]等人采用采用FLAC3D有限差分數值模擬方法，研究不同支護強度條件下窄煤柱的變形和破壞規(guī)律；靖洪文等針對綜放開采沿空掘巷圍巖控制的問題，采用FLAC3D模擬留設5m煤柱護巷時回采巷道圍巖和小煤柱應力演化過程，錨桿(索)支護形式能有效控制圍巖變形破壞。國內外眾多學者從不同角度研究窄煤柱的設計方法，但是沒有開展煤柱的載荷計算方法以及相應計算公式研究。

1 沿空掘巷的基本原理

沿空留巷、沿空掘巷都是在采空區(qū)邊緣布置巷道，都是受工作面?zhèn)认驇r層移動規(guī)律的影響，沿空留巷經歷工作面回采全部過程，采動期間，采空區(qū)上覆巖層劇烈移動，圍巖應力強烈變化和重新分配，巷道周圍圍巖體變形顯著。沿空掘巷時，采空區(qū)側向巖層移動劇烈活動已經結束，巷道周圍圍巖體應力分布穩(wěn)定。沿空掘巷在時間和空間上都非常有利。工作面回采結束后，工作面后方上覆巖層依次形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶[22]，垮落帶自由垮落，巖層結構破壞嚴重、彼此之間沒有水平力聯系。裂縫帶在垮落帶之上，裂縫帶整體結構破壞，具有一定層次，巖塊之間可能彼此絞接，在水平方向和垂直方向承載能力不強，不能承受上覆巖層的重量。彎曲下沉帶在裂縫帶上方，巖層整體移動，屬于非破壞巖層。巖層結構沒有裂縫、破壞，基本保持完整承載能力，類似板梁彎曲，彎曲下沉帶能夠承載上覆巖層載荷，形成穩(wěn)定的結構。在采空區(qū)側向形成類似三角形的穩(wěn)定結構，如圖1所示，沿空掘巷三角形穩(wěn)定結構的下方(圖中紅色三角形)，煤柱載荷相對較小，有利于巷道穩(wěn)定。

圖1 采空區(qū)側向巖層分布示意

2 窄煤柱載荷估算方法

國內外眾多學者研究沿空留巷充填體載荷計算方法，吳建[23]、孫恒虎[24-25]認為垮落帶決定著巷道支護系統的載荷大小，根據力矩平衡原理提出充填體載荷的計算公式；李化敏[26]、李迎富[27]分析基本頂關鍵塊穩(wěn)定性，提出充填體支護阻力計算公式；涂敏[28]根據彈性地基頂板撓曲運動方程,計算充填體支護阻力。沿空留巷充填體的阻力或者載荷計算中，都是以采空區(qū)上覆巖層的裂縫帶為基礎，基本頂關鍵塊為重點研究對象。沿空掘巷窄煤柱計算同樣以裂縫帶作為載荷計算的基礎。Mark在大量實際案例基礎上，考慮側壓載荷影響，提出長壁工作面煤柱載荷的計算方法，根據Mark提出的載荷計算方法[29-30]，提出窄煤柱的載荷估算。

綜合國內外沿空留巷、沿空掘巷窄煤柱的研究成果,認為： 采空區(qū)內彎曲下沉帶對窄煤柱的載荷幾乎沒有影響，采空區(qū)裂縫帶的高度和形態(tài)決定了窄煤柱的載荷。結合Mark長壁煤柱穩(wěn)定性分析法和工作面頂板的巖層特性，窄煤柱承載結構如圖2所示，窄煤柱上方巖層呈倒臺階承載形態(tài)，臺階邊緣和垂線呈一個夾角θ，類似長臂工作面的側向支撐角，根據面積分攤法，窄煤柱承載如圖2所示的紅色梯形載荷，梯形下底邊長為煤柱寬度加上巷道寬度的一半，梯形的高度為裂縫帶高度減去煤層開采厚度。

圖2 沿空窄煤柱承載結構

窄煤柱的載荷計算公式為：

式中，w1為留巷巷道寬度；h為巷道高度；w2為煤柱寬度；H為裂縫帶高度 (參見建筑下水體下導水裂縫帶計算公式，公式見表1，公式中m為開采高度)；θ為側向支承角(取值見表1)；γ為工作面上覆巖層容重，0.025～0.027N/mm2。

表1 裂應力計算公式參數

3 工程實踐

柳巷煤礦設計生產能力為1.2Mt/a，位于陜北榆神礦區(qū)。開采3號煤，厚度11.05m，煤層結構致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育。煤層結構簡單，個別含1層夾矸，煤層平均傾角0.3°。直接頂為泥巖，厚度2.66m，基本頂為灰白色塊狀中-粗粒長石砂巖，厚18m，煤層埋深209～321m，開采方法為綜采放頂煤，采高3.8m，巷道長度1500m左右。把30108工作面回風巷與30106工作面采空區(qū)間的煤柱尺寸縮小為10m，小煤柱巷道寬度4.86m，高度3.42m，支護形式采用高預應力錨桿錨索加強支護。頂板及煤柱幫錨桿為20號左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4m，樹脂加長錨固，頂板配φ14mm圓鋼焊接的鋼筋托梁，煤柱幫采用W型鋼護板，厚度4mm，寬280mm，長度450mm。采用8號鐵絲編織的菱形網護煤柱幫和護頂，網格為50mm×50mm。工作面幫使用塑鋼網片和玻璃鋼錨桿支護，玻璃鋼錨桿規(guī)格為φ18mm×1600mm。錨桿排距1000mm，頂板每排5根錨桿，間距900mm。兩幫每排各4根錨桿，間距950mm。采用φ17.8mm錨索進行補強，長度5.3m，配300mm×300mm×14mm高強度拱形可調心托板及配套鎖具，每排1根布置，排距2000mm。錨桿預緊扭矩不低于400N·m。錨索張拉預緊力180～200kN。

30108工作面回風巷寬度A=4.86m，高度h=3.42m，煤柱寬度B=10m，工作面屬于硬度較高中硬頂板，θ=20°，采高11.05m,裂縫帶高度H的中值為51.9m。根據煤柱載荷(應力)計算公式，當裂縫帶取中值時，煤柱的應力為：

巷道掘進距離工作面切眼400m的位置，4月7日在10m煤柱中安裝4個鉆孔應力計，安裝深度分別為2m，4m，6m，7m，鉆孔應力計安裝的初始壓力分別為8.2MPa，7MPa，9.2MPa，12MPa，平均9.1MPa，安裝之后，鉆孔應力計開始和煤柱耦合，鉆孔應力計數據下降，開始8d內，鉆孔應力計數據快速下降。4月15日，4個鉆孔應力計數據分別為3.5MPa，3.1MPa，2.6MPa，4.6MPa，平均3.48MPa，經過30d時間，鉆孔應力計和煤柱充分耦合，4個鉆應力計數據分別為2.7MPa，2.8MPa，2.3MPa，3.5MPa，平均值為2.83MPa，此時鉆孔應力計監(jiān)測數據為煤柱載荷，4個鉆孔應力計平均數據的變化曲線如圖3所示。

圖3 鉆孔應力計平均測試曲線

煤柱載荷應力理論計算值為2.78MPa，煤柱內安裝4個鉆孔應力計的實測平均值為2.83MPa，2個數據相差不大，證明載荷計算公式的合理性。

4 結 論

根據工作面?zhèn)认驇r層移動規(guī)律，上覆巖層的彎曲下沉帶形成自平衡的三角形平衡結構，沿空掘巷窄煤柱布置在三角形結構體的下方，結合長壁煤柱載荷分析的方法，提出窄煤柱載荷的計算公式，公式包括采高、巷道寬度、煤柱寬度、上覆巖層結構類型等多個參數。窄煤柱載荷計算公式，參數明確簡單，為沿空掘巷窄煤柱設計方法提供研究基礎。載荷計算公式在中硬頂板條件下，證明公式的合理性，需要在軟弱、中硬頂板等條件下進一步驗證。