1、专题部分沿空掘巷小煤柱稳定机理分析摘要本文主要介绍沿空掘巷小煤柱留设稳定性机理分析，对于小煤柱的整体稳定性进行研究。将小煤柱作为沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，研究小煤柱的变形破坏特点及其保持其稳定性的控制机理。关键词 沿空掘巷 小煤柱 围岩应力 稳定性1概述沿空掘巷是指沿着采空区边缘开掘巷道，上下区段间不留煤柱或只留35m宽的挡矸、阻水或阻隔采空区有害气体的隔离煤柱。理论和实践证明，沿空掘巷有利于巷道维护，减少区段煤柱损失。当瓦斯涌出量不大、煤层埋藏稳定的条件下，我国煤矿，特别是进入深部开采的矿井，其回风平巷一般采用单巷布置与掘进、沿空掘巷方式。沿空掘巷在我国广泛应用，多用于开采近水平、
2、缓斜、中斜厚度较大的中厚煤层和厚煤层。我国煤矿地下巷道总长约3万km，其中受采动影响的煤巷约占80%，长期以来，对受采动影响的煤巷一般采用煤柱护巷，随着矿井深度增加，原岩应力升高，护巷煤柱宽度越来越大。这样，不仅煤炭采出率低下、巷道维护困难，并且较宽的区段煤柱在工作面回采后形成应力集中区，使布置在煤柱下方的底板巷道维护困难，同时，不利于防治煤炭自燃发火以及煤与瓦斯突出等灾害。从50年代开始，国内外开展了包括沿空留巷与沿空掘巷两种方法的无煤柱护巷技术的试验研究，对于煤柱护巷的矿压显现规律及围岩控制进行了系统的研究，取得了大量的成果，推动了无煤柱护巷技术的发展。2研究意义沿空掘巷小煤柱的留设关系到
3、开掘巷道及其周围围岩结构的整体稳定性，对于小煤柱稳定性机理的分析能够从原理上为沿空掘巷提供理论指导，煤柱留设稳定性机理不仅对提高煤炭采出率具有重要意义，而提高煤炭开采的采出率是关系到矿井的开采寿命和技术发展方向的重大问题，小煤柱稳定性也是关系到采区巷道能否稳定这一重要问题。通过对沿空掘巷小煤柱稳定性机理的分析，对小煤柱及实体煤帮的稳定性原理、巷道围岩应力场、围岩变形破坏特点、锚固结构与围岩活动关系等进行系统的研究，初步形成了综放沿空掘巷围岩稳定性原理与控制技术，促进无煤柱技术开采的进一步发展，充实和发展回采巷道支护理论，实现高度集约化生产的高产高效矿井建设无疑都具有重要的理论意义和实用价值。3
4、沿空掘巷小煤柱留设发展现状窄煤柱沿空掘巷的实质是沿上工作面采空区边缘留窄煤柱（16m）掘进巷道。在国内，窄煤柱沿空掘巷在简单地质条件下矿区已得到较广泛的应用，其围岩控制的中心思想基于“巷道布置在采空区侧的低应力区，同时窄煤柱有一定的自承能力”。沿空掘巷是在第一个工作面采空区岩层活动基本终止，回采引起的应力重新分布趋于稳定后掘巷，巷道位于应力降低区，采用宽度较小的煤柱和合理的支护技术可以保证巷道在掘进及掘后围岩变形较小，巷道只经历一次采动影响。综放沿空掘巷及薄及中厚煤层沿空掘巷有较大的差别。综放工作面煤层为后煤层、采高大，受采空区侧向压力作用，下区段煤体边缘形成破碎区和塑性区的宽度大于薄及中厚煤
5、层，因此，综放沿空掘巷一般处于塑性区和破碎区煤体中；巷道上方弧三角块在超前支撑压力作用下回转下沉量比薄及中厚沿空掘巷大；综放沿空掘巷顶板为煤体，而薄及中厚煤层沿空掘巷顶板为岩层；所以综放沿空掘巷巷道围岩力学性质比薄及中厚煤层沿空掘巷更差，维护更为困难。近年来，综放沿空掘巷作为综采放顶煤的配套技术越来越受到人们重视，是我国煤炭开采技术进步的重要标志。但综放沿空掘巷的稳定原理及控制技术还很不成熟，一些普遍的具有广泛适用性的规律有待于进一步探索，其中小煤柱留设稳定性的控制技术及锚杆支护巷道锚固体与外部围岩的相互作用关系均有待于进一步研究。目前国内在沿空掘巷方面已做了大量的工作，但在阳泉、灵武等多个矿
6、区目前仍采用大煤柱护巷方式（约在20m左右）1，其目的一是为了巷道本身的围岩稳定；二是为了防止窄煤柱变形或破坏后会与相邻采空区沟通，形成更大的安全隐患。国外，如澳、英等国不搞沿空掘巷，他们认为煤巷布置在裂缝中围岩是非常不稳定的。而认为区段平巷的护巷煤柱尺寸应该是巷道埋藏深度的1/10，至少应当在15m以上。美、德等国区段煤层平巷均布置在实体煤中。俄罗斯、乌克兰的沿空掘巷只采用金属支架支护2。4沿空掘巷的最佳位置通常, 在研究支承压力分布及其显现随上覆岩层运动而变化的规律的基础上, 通过实测确定具体采场的支承压力分布特征, 特别是低应力区的范围和稳定时间, 然后确定巷道开掘的合理位置, 使其避开
7、高应力区和高应力作用期, 最大限度地减轻支承压力集中区的影响。在存在内应力场的条件下, 可能的掘巷位置有3种(见图2)。图2 巷道掘进位置1- 小煤柱沿空掘巷 2 -外应力场中的煤柱护巷3 -原始应力区的大煤柱掘巷由煤体上方支承压力分布规律可以看出, 在位置2掘进巷道, 正处于支承压力高峰区,巷道不易维护; 在位置3掘进巷道, 虽然巷道比较容易维护, 但煤柱损失比较大, 故这两种位置都不可取。因此沿空掘巷的最佳位置为位置1所示的小煤柱掘巷, 最佳煤柱尺寸应是满足煤柱不发生裂隙向采空区漏风、不诱发自燃的最小煤柱尺寸。5沿空掘巷小煤柱留设围岩稳定的基本原理5.1沿空掘巷的围岩力学环境沿空掘巷的围岩
8、力学环境与其它类型的回采巷道相比，一般具有以下三个显著的特点：巷道处于应力降低区；掘巷期内围岩应力集中程度小；回采期间应力集中程度很大。5.1.1巷道开挖前矿压显现规律分析根据沿煤层倾斜方向的矿压显现规律可知，受工作面回采的影响，煤体内存在三个不同的应力分布区：靠近采空区的卸载区、支承压力显现区及煤体深部的原岩应力区。在沿倾斜方向上的支承压力形成初期，卸载区的范围一般为36m。但随着时间的增长应力分布会逐渐地趋向缓和与均化，支承压力的峰值逐渐降低，影响范围也逐渐加长，并最终形成长期稳定的残余支承压力（如图1）。此时卸载区的影响范围接近10m。留小煤柱沿空掘巷的目的就是要将巷道布置在卸载区内，以
9、利于巷道的支护。因此，在进行巷道杆支护设计前，要对卸载区内的围岩状况进行分析，以确定合理的支护类型。（1初期矿压规律曲线；2稳定后的矿压规律曲线；I卸载区；-支承压力显现区；原岩应力区）图1 采空区侧煤层倾斜方向矿压显现规律5.1.2卸载区内的煤岩状况分析由于该处煤体直接与回采工作面相邻，工作面在回采期间，煤体边缘受高应力的作用出现不同程度的变形、破碎，致使该区域内的煤体承载能力降低，形成压力卸载区；同时，回采工作面顶板的冒落将造成卸载区内的顶板出现离层、断裂，离层、断裂后的岩体承载能力大大降低。其上方岩体所产生的压力将向煤体深部转移，形成支承压力显现区（如图2）。（I卸载区；-支承压力显现区
10、；H 顶板断裂厚度）图2 卸载区内煤岩状况模型5.2掘巷期间煤柱内位移场分布特征掘巷区间煤柱内水平位移分布曲线见图3，煤柱表面向巷道内的位移与其宽度关系见图4。由图3、图4可见,掘巷期间沿空掘巷煤柱位移(1)煤柱内巷道内的位移随煤柱宽度增大而增大,达到一定宽度后再由大变小,然后趋于稳定。(2)煤柱表面向巷道内的位移特征,当煤柱留3m时,煤柱整体向采空区移动,45m煤柱向巷道图3掘巷期间煤柱内水平位移分布曲线图4掘巷期间煤柱表面位移特征内位移量不大,69m煤柱向巷道内位移量急剧增大,1015m煤柱向巷道内的位移量变化不明显,但显著大于45m煤柱向巷道内的位移量。(3)当煤柱留3m时,煤柱中部位移
11、急剧变化,没有稳定部分,45m煤柱时,中部位移稳定并较小,当煤柱大于5m后,虽然中部也存在稳定部分,但向巷道内的位移量明显大于45m煤柱时的位移量。5.3回采期间煤柱应力分布回采期间采动影响通过在模型实体煤侧的上部边界施加采动支承压力来实现,回采阶段工作面沿空掘巷窄煤柱应力分布有如下特征: (1)煤柱宽度对应力分布影响较大。煤柱由4m增大到15m时步降低。又从数值计算结果可以看出,3m煤柱的垂直应力峰值为18.47MPa,大于4m煤柱时的垂直应力峰值,45m煤柱内垂直应力峰值最小,对煤柱的稳定最有利。煤柱达到10m后,垂直应力峰值增加不明显,垂直应力峰值在煤柱内的位置也相差不大。(2)煤柱宽度
12、对煤柱浅部应力的影响。煤柱3m时,浅部应力较大,煤柱46m时,浅部应力较小。煤柱超过6m后,随着煤柱宽度的增大,浅部应力又相应的增大。,煤柱内垂直应力峰值逐步增大,4m时垂直应力峰值仅为16.71MPa,15m时则达到了31.1MPa,煤柱内垂直应力峰值的增大不利于煤柱的稳定,由此可知,煤柱超过4m后,随着煤柱宽度的增加,煤柱的稳定性逐5.4回采期间煤柱内位移场分布特征回采期间煤柱表面向巷道内的位移与其宽度的关系见图5,煤柱宽度对巷道变形的影响见图6。图5回采期间煤柱表面位移特征图6煤柱宽度对巷道变形的影响由图5、图6可见,煤柱宽度对围岩变形的影响为: (1)顶板下沉。巷道顶板下沉量随煤柱宽度
13、增大而减小,煤柱34m时,顶板下沉量较大,煤柱46m时,顶板下沉量变化不大,大于8m时顶板下沉量变化不明显,但小于煤柱46m时的顶板下沉量。(2)底臌。煤柱36m时底鼓量增加不明显,大于6m时增大,当煤柱增加到8m时,底鼓量达到最大,随后底鼓量随着煤柱宽度的增加逐渐减小,10m以后逐渐趋于稳定。(3)两帮移近量。窄煤柱帮水平位移随煤柱宽度增大而增大,煤柱35m时位移量较小,煤柱8m时位移量最大,然后逐渐减小。实体煤帮位移随煤柱宽度增大而减小,煤柱5m时最小,随后随煤柱增大位移量增大,但变化不太明显。 5.5沿空掘巷上覆岩体大结构稳定性分析基于老顶岩层的上覆岩体大结构的稳定性是一个与上区段工作面
14、回采、掘巷、及本区段工作面回采时载荷从稳定不稳定稳定不稳定的动态响应过程。研究和实践表明，沿空掘巷上覆岩体在巷道掘进及本工作面回采前是可以保持稳定的，但在受本工作面采动影响时，其稳定性将受到严重影响。沿空掘巷在受到本区段工作面的回采影响时，巷道与上覆岩体大结构的平面关系如图1所示。其过程可归结为：本区段工作面回采时，采空区老顶岩层产生新的破断，由于沿空掘巷位于回采工作面前方，这种破断不会在沿空掘巷上方产生，只是在回采工作面采空区内，长边破断线直接与原有关键块体沟通，也即新产生的岩块A与原有三角形板B相连通，如图1（a）所示。 （a） （b）W沿空掘巷上覆岩体大结构的下沉量；M关键块体B的回转力
15、矩；m本工作面老顶岩层向采场回转的力矩图1 回采时沿空掘巷与上覆岩体大结构的平面和剖面关系图老顶岩层破断后，块体A将分别在回转力矩m和M的作用下向本工作面和侧向三角板B方向回转下沉，进而破坏了工作面前方沿空掘巷大结构原有的平衡状态，大结构中的铰接岩体A和关键块B处于运动和不稳定状态，从而引发B块的一定下沉和在工作面前方形成较高的支承压力。上覆岩体大结构在较高支承压力的作用下，岩块A和岩块B将有一定的回转下沉，如图1（b）中的W所示。大结构的这种运动和不稳定状态将造成沿空掘巷围岩应力的再次重新分布和集中，其影响程度远大于掘巷时围岩应力的重新分布和集中。需说明的是：掘巷和回采时围岩应力的来源不同，巷道围岩应力在掘巷期间是由于掘进引起的围岩小范围内的应力集中；而在回采时，围岩应力的集中则来源于上覆岩体大结构这个外部力学环境的变化。沿空掘巷在回采时围岩应力的强烈集中，加上巷道围岩性质的软弱性质，使沿空掘巷围岩产生大变形；同时，由于大结构造成的巷道围岩应力重新分布的不均匀性，使得巷道顶板、底板、实体煤帮及煤柱在变形方式和变形量上存在较大的差异。上覆岩体大结构从受工作面回采影响起，直到临近工作面端头的过程中，上覆岩体大结构上的载荷虽然是在不断增加，但由于各岩块间的支承条件并没有改变，故仍会保持随机的平衡状态，不同的是块体
