劉 勇

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045008）

0 引 言

沿空掘巷指沿采空區(qū)邊緣或留設(shè)窄煤柱掘進(jìn)巷道，目的是將巷道與采空區(qū)隔離，。沿空巷道的窄煤柱在上下兩區(qū)段回采動(dòng)壓的影響下會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，破壞程度在極大程度上影響著回采巷道的穩(wěn)定性[1]。在沿空掘巷方面，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量的研究，如劉增榮[2]將沿空巷道的頂板巖層視為懸伸巖層，通過其對(duì)上覆巖層作用的角度具體分析了緩、急斜煤層中運(yùn)用窄煤柱護(hù)巷時(shí)具體的力學(xué)機(jī)理，同時(shí)給出當(dāng)沿空巷道的中軸線與采空區(qū)邊緣的距離為5m時(shí)，留設(shè)3～5m的護(hù)巷煤柱，回采巷道和窄煤柱所受到的圍巖壓力較??；常聚財(cái)、謝廣祥等[3,4]對(duì)綜放開采沿空掘巷的合理布置位置進(jìn)行了深入的研究，通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)、理論計(jì)算并結(jié)合數(shù)值模擬的綜合方法進(jìn)行具體分析，并由應(yīng)力測(cè)試的方法得出煤柱沿傾向應(yīng)力變化規(guī)律；本文主要從理論分析的角度對(duì)沿空巷道上覆巖層的結(jié)構(gòu)特征以及窄煤柱護(hù)巷的寬度進(jìn)行研究，并根據(jù)工程實(shí)例驗(yàn)證分析其可用性。

1 工程概況

某礦3101綜采工作面主采昌寧統(tǒng)那讀組下百崗段I煤層，煤層的厚度為2.8～3.2m，平均厚度為3m，I煤層的的直接頂泥巖，黑色，平均厚度為3.6m，煤層的基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度為16m，底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖；煤的平均抗壓強(qiáng)度為6.03MPa，黑色泥巖的平均抗壓強(qiáng)度為16.7MPa，細(xì)砂巖的平均抗壓強(qiáng)度為50.8MPa。該工作面南部緊挨已經(jīng)回采完畢的1201工作面，本次試驗(yàn)的沿空掘進(jìn)巷道為3101工作面的運(yùn)巷，工作面的具體巷道布置如圖1所示。

圖1 3I01工作面巷道布置

2 護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布及上覆巖層的結(jié)構(gòu)特征

2.1 煤柱的應(yīng)力分布

護(hù)巷煤柱受到上區(qū)段1201采空區(qū)以及回采巷道的影響，煤柱會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形破壞，護(hù)巷煤柱會(huì)在煤體的兩側(cè)各自形成一定區(qū)域的塑性區(qū)。根據(jù)護(hù)巷煤柱的寬度不同，可大致根據(jù)煤柱的寬度將應(yīng)力分布分為兩種類型。用L來表示煤柱的寬度，L0來表示煤柱采空區(qū)側(cè)支承壓力影響區(qū)的范圍，L1表示巷道側(cè)支承壓力影響區(qū)的范圍。當(dāng)煤柱的寬度較大時(shí)，即L＞L0+L1時(shí)，此時(shí)煤柱兩側(cè)的支承壓力沒有疊加，煤柱中部的應(yīng)力與兩側(cè)疊加區(qū)域的應(yīng)力相比較低，煤柱中部存在一定寬度的彈性核區(qū)域，此時(shí)的應(yīng)力呈現(xiàn)不對(duì)稱的馬鞍形分布，如圖2a所示；隨著護(hù)巷煤柱寬度的逐漸減小，在L＜L0+L1時(shí)，由于兩側(cè)回采引起的支承壓力的疊加使得煤柱所承受的應(yīng)力較大，此時(shí)整個(gè)煤柱的應(yīng)力呈現(xiàn)鐘形分布，如圖2b所示，故為保證護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性，通過合理的選擇煤柱寬度能夠有效避免煤柱內(nèi)支承壓力的疊加。

圖2 穩(wěn)定煤柱的彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布

2.2 煤柱上覆巖層結(jié)構(gòu)特征

隨著1201工作面的推進(jìn)，上方基本頂在周期來壓的作用下會(huì)沿著工作面的側(cè)向形成如圖3所示類似于砌體梁的結(jié)構(gòu)，圖中的巖塊A為下區(qū)段的直接頂巖層，巖塊B為上區(qū)段采空區(qū)在靠近煤柱上方位置處彎曲下沉所形成的弧形三角塊，巖塊C為上區(qū)段采空區(qū)上方直接頂破斷后的巖層。這種形似砌體梁的結(jié)構(gòu)對(duì)支撐上覆巖層荷載起到關(guān)鍵作用，在這種形似砌體梁結(jié)構(gòu)對(duì)煤柱的穩(wěn)定起到關(guān)鍵的保護(hù)作用。

圖3 沿空巷道上覆巖體破斷結(jié)構(gòu)圖

由上述分析可知弧形三角塊B對(duì)護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定起到關(guān)鍵性的作用，故在評(píng)價(jià)上覆巖層大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí)，只需對(duì)弧形三角塊B的結(jié)構(gòu)參數(shù)作具體分析即能夠滿足沿空巷道的穩(wěn)定，具體的參數(shù)模型如圖4所示?；⌒稳菈KB的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有4個(gè)：

1）為基本頂?shù)臄嗔验L度L1，L1與基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄郲5]相等，表達(dá)式為：

式中：q為基本頂單位面積平均載荷，MN/m2；Rt為基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa；h為基本頂厚度，m。根據(jù)礦井1201工作面地質(zhì)資料，基本頂周期來壓步距一般為14～17m之間，所以斷裂長度L1為14～17m。

2）基本頂?shù)臄嗔盐恢肵0

據(jù)相關(guān)研究表明，基本頂?shù)臄嗔盐恢么蟛糠智闆r下位于采空區(qū)側(cè)向煤體的彈塑性區(qū)域交接處[6]，表現(xiàn)為兩種情況，即斷裂位置位于護(hù)巷煤柱上方或者在采空區(qū)上方。用X0表達(dá)斷裂位置距上區(qū)段采空區(qū)側(cè)煤壁的距離，則X0具體表達(dá)式為：

式中：y0為工作面采高，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為沿空巷道埋深，m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，°；A為側(cè)壓系數(shù)；px為對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，MPa；c為煤層粘聚力，MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)。根據(jù)1201工作面的相關(guān)資料顯示采高y0為3m，煤層內(nèi)摩擦角φ為20°，側(cè)壓系數(shù)A為1.5，應(yīng)力集中系數(shù)K為3，支護(hù)阻力px為0MPa，巷道埋深H為200m，粘聚力c為3MPa，上覆巖層平均容重γ為0.025MN/m3。將上述數(shù)據(jù)帶入式（2）計(jì)算得出1201工作面基本頂斷裂位置X0為5.8m。

3）厚度h的確定。

關(guān)鍵塊體B的厚度與護(hù)巷煤柱上覆基本頂巖層的厚度相等。

4）參數(shù)L2的確定。

L2的計(jì)算公式可表示為：

根據(jù)大量的數(shù)據(jù)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)S/L1＞6時(shí)，L2=L1，由 1201 工作面的長度為 150m，S/L1＞6，故能夠得出L2為14～17m。

圖4 弧形三角塊B的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 合理護(hù)巷煤柱寬度的分析

3.1 煤柱寬度的確定方法

由于沿空護(hù)巷煤柱會(huì)先后受到上下區(qū)段工作面的采動(dòng)影響，會(huì)逐漸在煤柱的邊緣出現(xiàn)一定區(qū)域的塑性破壞，塑性區(qū)的出現(xiàn)會(huì)致使煤柱能承受載荷的能力大大降低，隨著工作面的向前推進(jìn)，塑性破壞區(qū)域的寬度會(huì)逐漸增大，使得煤柱的變形加劇，據(jù)此可知煤柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)域的的尺寸是合理留設(shè)煤柱寬度的關(guān)鍵。將煤體視為均質(zhì)連續(xù)體，簡化后煤柱的力學(xué)模型如圖5所示，根據(jù)莫爾—庫倫準(zhǔn)則和彈性力學(xué)的有關(guān)知識(shí)能夠求得極限平衡區(qū)的寬度[7]：

式中：m為煤柱高度；Px為錨桿對(duì)煤柱的側(cè)向阻力；λ為塑性區(qū)邊界面的側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/1-μ；σx、σy分別為沿x軸和y軸方向上的應(yīng)力；K為塑性區(qū)邊界面應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重；H為煤柱埋深；φ為煤體內(nèi)摩擦角。

為了避免固定和殘余支承壓力對(duì)巷道的影響，故運(yùn)用錨桿（索）對(duì)護(hù)巷煤柱進(jìn)行支護(hù)，在高圍巖應(yīng)力的作用下，可能會(huì)使得錨桿（索）錨固范圍處于煤柱的塑性破壞區(qū)內(nèi)，致使錨固效果差，故錨桿（索）長度x2也是煤柱合理寬度所要考慮的因素，另外，考慮到影響煤柱穩(wěn)定的其他未知因素，因此對(duì)煤柱添加一個(gè)安全系數(shù)x3，以避免不定因素對(duì)煤柱的影響。綜上所述，沿空巷道護(hù)巷煤柱合理的寬度表達(dá)式為：

式中：x1為煤柱塑性區(qū)寬度；x2為錨桿(索）長度；x3為煤柱安全系數(shù)，一般取 0.15～0.35（x1+x2）。

圖5 沿空護(hù)巷煤柱的力學(xué)模型

3.2 3101回風(fēng)巷煤柱寬度的理論計(jì)算

根據(jù)3101工作面地質(zhì)資料及煤巖層物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定，得出的3101工作面的煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1：

表1 3101工作面煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

將表中數(shù)據(jù)帶入到式（1）中，能夠得出煤柱塑性區(qū)的寬度為x1=1.7m，結(jié)合圖6所示3101運(yùn)巷斷面的支護(hù)，根據(jù)式（2）能夠計(jì)算得出回風(fēng)巷的合理護(hù)巷煤柱如下：

B=1.7+2.3+[（0.15～0.35）×（1.7+2.3）]=4.6～5.4m，故對(duì)3101工作面運(yùn)巷留設(shè)了5m的煤柱寬度。

圖6 運(yùn)巷斷面支護(hù)圖

3.3 工業(yè)試驗(yàn)的效果

在3101工作面回采期間通過對(duì)3101運(yùn)巷道表面進(jìn)行的觀測(cè)得出巷道頂?shù)装逶诨夭善陂g的最大移近量為0.5m，兩幫的最大移近量為0.7m，故對(duì)于3101回風(fēng)巷采用5m煤柱寬度方案能夠有效的保證沿空巷道圍巖的穩(wěn)定，為工作面的安全、高效生產(chǎn)提供保障。

4 結(jié) 論

1）討論了沿空掘巷在不同護(hù)巷煤柱寬度下彈塑性區(qū)域以及應(yīng)力在煤柱中的分布狀況；通過分析知保證煤柱的穩(wěn)定最有效的途徑為合理的控制護(hù)巷煤柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)域范圍的擴(kuò)大，避免不合理的煤柱寬度造成的應(yīng)力疊加。

2）通過分析沿空巷道上覆的破斷規(guī)律，構(gòu)建弧形三角塊的結(jié)構(gòu)模型，得出影響弧形三角塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的參數(shù)主要為基本頂?shù)臄嗔验L度、基本頂?shù)臄嗔盐恢谩⒒⌒稳菈K的厚度以及上區(qū)段采空區(qū)邊緣與沿空巷道邊緣的距離4個(gè)方面。

3）基于護(hù)巷煤柱的力學(xué)模型并結(jié)合3101工作面的工程實(shí)際計(jì)算得出回風(fēng)巷的合理煤柱寬度為4.6～5.4m，通過現(xiàn)場留設(shè)5m煤柱的工程效果驗(yàn)證了理論分析得出煤柱寬度的合理性。