謝中輝 周長寬 畢青泉

（陜西正通煤業(yè)有限責(zé)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(dǎo)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(shè)寬度以及劇烈采動作用下的巷道圍巖支護技術(shù)進行系統(tǒng)研究。

2 煤柱合理尺寸計算

合理的煤柱尺寸應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(shè)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(fēng)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(yīng)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(gòu)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(yīng)，該部分使用雙屈服模型[4-5]。

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型圖（m）

3.2 模擬結(jié)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(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)移到深處。當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力僅為27 MPa，應(yīng)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(yīng)力可達到42 MPa，但此時的集中應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。兩個集中應(yīng)力相互疊加，因此集中應(yīng)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(yīng)力并未疊加，因此此時煤柱中最大的垂直應(yīng)力為56 MPa。此時，煤柱仍然承擔(dān)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(yīng)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(guān)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(guān)關(guān)系。這主要是由于超前支承壓力和巷道側(cè)向集中應(yīng)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(jié)合巷道垂直應(yīng)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(yīng)力和超前支承壓力的共同作用，煤柱中的垂直應(yīng)力更大，因此煤柱幫部變形量開始增大；由圖3（b）結(jié)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(yīng)力集中區(qū)逐漸出現(xiàn)在煤柱內(nèi)，應(yīng)力集中系數(shù)較小，圍巖變形不明顯。

巷道的變形在留設(shè)7 m 寬的窄煤柱時比留設(shè)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(yīng)用效果分析

綜合以上研究結(jié)果，設(shè)計選用7 m 寬的窄煤柱。為了驗證301 與302 工作面間留設(shè)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(jié)果如圖5。

圖5 301 運輸巷表面位移實測結(jié)果

綜合分析3 個測站的觀測結(jié)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(jié)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(yīng)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(jié)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(shè)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。