1、沿空掘巷小煤柱合理宽度留设研究1 前言窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一，本文通过数值计算方法，研究了沿空掘巷不同煤柱宽度和巷道支护强度时煤柱的应力场和位移场，提出沿空掘巷小煤柱的合理宽度的留设方法。研究结果表明: 巷道掘进期间，煤柱较窄时，煤柱内中心位置承受的最大垂直应力随煤柱宽度增加变化较大，当煤柱宽度达到5 m 后，增大煤柱宽度，最大垂直应力变化已不明显，平均应力有所降低; 采动影响阶段，煤柱内中心位置承受的最大垂直应力随煤柱宽度增大而提高; 当煤柱宽度在37 m 时，高支护强度对控制围岩变形效果更好。建议沿空掘巷煤柱的合理宽度留设标准: 软煤57 m，硬煤35 m。将本成果应
2、用于现场实践，取得了良好的技术经济效果，具有很好的应用推广价值。随着煤矿开采机械化程度的提高，矿井产量和开采深度的不断加大，对煤炭采出率和回采巷道支护技术要求越来越高，传统的留设较宽的区段煤柱护巷的支护方式已不能满足要求。留窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法之一。沿空掘巷技术由于巷道具有煤炭采出率高、容易维护等诸多优点，近些年来受到了广大学者和工程师的极大关注，在我国多个矿区逐渐推广应用。窄煤柱是沿空掘巷围岩的重要组成部分，其稳定性直接影响巷道整体的稳定性，所以窄煤柱宽度的确定成为沿空掘巷围岩稳定性的核心内容之一。巷道围岩的稳定性主要取决于围岩强度、应力状况及支护与围岩的相互作用关系。沿
3、空掘巷围岩松软破碎、强度低，受采动影响时，上覆基本顶岩层三角块结构旋转下沉，塑性区、破碎区迅速扩展，导致巷道变形剧烈。国投新集刘庄煤矿主采11 煤层121102 工作面煤巷埋深超过630 m，属深井半煤岩巷，围岩为煤泥岩互层，为典型的三软巷道。由于煤层倾角的影响，掘进时需破底，整个巷道围岩为非均质层状赋存，在高地应力作用下表现为强烈的两帮移近和底臌。121102 工作面风巷按沿空掘巷设计，因此煤柱的宽度和巷道支护强度将直接影响巷道掘巷和回采期间的安全使用。本文通过数值计算，分析了不同煤柱宽度和支护强度条件下，煤柱应力场和位移场分布特征，为合理选取小煤柱宽度提供理论依据。2 沿空掘巷煤柱稳定性的
4、数值模拟本文利用ANSYS 软件中死活单元技术、材料非线性问题的分析方法，模拟了沿空掘巷窄煤柱变形破坏机理。巷道埋深按600 m 计算，采用平面应变模型，模拟巷道的形状为矩形，宽4.5 m，高3.5 m。模型计算的范围为: 顶板28.5 m，底板22.0 m; 整个模型的宽度为72 m。边界条件: 地下巷道简化为平面应变问题，边界上作用有铅直原岩应力和水平原岩应力; 模型下边界位移全约束，岩体取二维平面应变元; 屈服准则选用Drucker-Prager准则。该准则考虑了围压对屈服特性的影响，并且能反映剪切引起膨胀扩容的性质，如图1所示。图1 计算模型及边界条件考虑到煤矿开采的实际，回采巷道围岩
5、的强度一般比较低，所以模型中的弱结构体取强度较低的岩层，其他较坚硬岩层则取强度更大的岩层; 采空区、巷帮薄层弱结构采取改变帮部材质的方法实现，薄层弱结构体强度较两帮煤层还要低，模型中巷道围岩的部分力学参数见表1。2 1 煤柱应力分布考虑到煤层力学性质对煤柱应力分布产生的影响，在计算煤柱应力分布时把煤层力学性质按软硬分别分析。煤层不同性质参数取值如表2 所示。2.1.1 掘进期间煤柱应力分布特征巷道开掘后，底板附近原先处于三轴压缩状态的岩体中径向压力消失后碎胀导致体积增大，其应力状态的变化引起围岩裂隙不断扩展和其力学性质不断劣化，围岩的整体刚度和弹性模量会逐渐降低，岩体的破坏随着时间向深部扩展大
6、; 当支护阻力不足时致使巷道围岩以较高的速度长时间地向巷内运移。由于掘进期间硬煤和软煤不同煤柱宽度时围岩垂直应力分布情况较为一致，这里只给出硬煤时的垂直应力分布情况如图2 所示，现分别提取硬煤和软煤时不同煤柱宽度下的垂直应力云图( 如图3、图4 所示) ，从图中可以看出掘巷期间煤柱的垂直应力基本沿中间轴线呈对称分布，中间位置垂直应力值较大，两侧临空面应力值较小。图2 掘进期间硬煤不同煤柱宽度时围岩垂直应力分布情况图3 掘进期间硬煤不同煤柱宽度时垂直应力分布情况图4 掘进期间软煤不同煤柱宽度时垂直应力分布情况为了进一步分析煤柱中应力分布情况，现取煤柱高度一半的中部层位研究煤柱内应力场分布情况。掘
7、巷期间沿煤柱宽度方向的垂直应力分布如图5所示。图5 掘进期间煤柱垂直应力分布由图5 可见，掘进阶段沿空掘巷窄煤柱应力分布具有以下特征:( 1) 煤柱宽度对应力分布影响较大。软煤: 煤柱较小时其应力较小并且应力均匀，2m 的煤柱应力4.6 MPa; 随煤柱宽度增大，煤柱内最大应力增大，最大应力9.5 MPa; 煤柱宽度达到5 m 后，最大应力增加不明显，位置也相差不大，应力分布近似呈三角形。硬煤: 煤柱应力分布与软煤差别较大;煤柱宽度对最大应力影响不大，2m 煤柱最大应力为8 MPa，而5 m、7 m 煤柱的最大应力分别为13.9 MPa、15.9 MPa; 煤柱较小时( 25 m) 应力分布近
8、似呈三角形。煤柱较大时( 715 m) 近似呈梯形分布。硬煤的煤柱应力均大于相应软煤煤柱的应力。( 2) 煤柱宽度对煤柱浅部应力的影响: 软煤煤柱2 m 时浅部应力较小，煤柱315 m 时浅部应力相差不大; 硬煤煤柱25 m 时浅部应力较小，5m以上煤柱浅部应力较大。硬煤煤柱浅部应力明显大于软煤煤柱浅部应力。2.1.2 回采期间煤柱应力分布限于文章篇幅，下面不再给出不同煤柱宽度时的垂直应力云图，仅取煤柱高度一半位置，煤柱内的垂直应力场分布情况做分析。回采期间沿煤柱宽度方向的垂直应力分布见图6。图6 回采期间煤柱垂直分布由图6 可见，回采阶段大采高工作面沿空掘巷窄煤柱的应力分布具有以下特征:(1
9、)在采动影响阶段，煤柱最大垂直应力随煤柱宽度增大而提高。(2) 软煤和硬煤3 m 以下煤柱的应力均趋于均化，与掘进阶段相比，煤柱中部应力降低; 5 m 以上硬煤柱应力增加均较大，15 m 时最大应力达21.4 MPa; 而软煤应力增加不大，最大应力为10.2 MPa。(3) 与掘巷阶段相比较，煤柱较小时，最大垂直应力降低，其位置向巷道侧移动; 煤柱较宽时，最大垂直应力升高，其位置向采空区移动。煤柱应力分布基本都呈三角形。2. 2 煤柱变形机理2.2.1 掘进时期煤柱内位移场分布特征掘进期间煤柱水平位移分布如图7 所示。由图7 可见，掘巷期间沿空掘巷煤柱深部位移具有以下特征:图7 掘进期间煤柱水
10、平位移分布(1) 煤柱向巷道内的位移随煤柱宽度增大而减小，达到一定宽度后再由小变大，然后趋于稳定。(2) 煤柱表面向巷道内的位移特征，软煤: 煤柱较小时，煤柱整体向巷道内移动，2 m 煤柱向巷道内位移量较大，715 m 煤柱向巷道内的位移量差别不大，但显著小于2 m 煤柱向巷道内的位移量。硬煤: 随着煤柱宽度增加而减小，但相差不大。(3) 软煤煤柱达到5 m，中部位移稳定并较小;硬煤3 m 煤柱中部位移稳定，随煤柱宽度增大位移减小。2.2.2 回采时期煤柱内位移场分布特征由图8 可见，回采期间煤柱内位移分布具有以下特征。图8 回采期间煤柱水平位移分布(1) 软煤: 煤柱较小时，煤柱基本呈整体状
11、态向巷道内移动，煤柱宽度在23 m 时向巷道内位移量较大。煤柱宽度在515 m 时，从煤柱中间分开，一部分向巷道内的移动，位移量较大; 另一部分向采空区移动，位移量相对较小; 中间呈稳定状态。(2) 煤柱57 m 向采空区的位移较煤柱1015 m 大，但向巷道内的位移比其小。(3) 煤柱515 m 时，硬煤和软煤中部位移均较稳定。(4) 软煤煤柱宽度大于5 m 后，煤柱表面向巷道内的位移量显著增大，7 m 时达到最大; 硬煤煤柱表面向巷道内的位移量随煤柱宽度由大到小再趋于稳定，但减小量不显著，2m 时达到最大。(5) 煤柱23 m 时，由于硬煤已破碎，所以硬煤和软煤的位移量相差很小。2. 3
12、沿空掘巷煤柱宽度的合理确定煤柱是沿空掘巷围岩结构的一个重要组成部分，其稳定性决定沿空掘巷的稳定性，采用锚杆支护时窄煤柱宽度应满足以下几个要求:(1) 巷道处于应力降低区。当巷道位于应力降低区时，煤柱及巷道的稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区。(2) 煤柱内部有稳定的区域。(3) 有利于巷道围岩稳定。数值模拟结果表明，煤柱较小时，随煤柱宽度增大，巷道围岩变形量减小，煤柱宽度达到一定值后，随煤柱宽度增大，巷道变形量增加; 因此，煤柱宽度有一个合理的值。综上所述，从煤柱的稳定性和控制巷道变形及采出率方面考虑，以及煤柱的应力、位移分布特征及煤柱宽度对巷道变形影响综合分析，沿空掘巷煤柱的合理宽度
13、为: 软煤57 m，硬煤35 m。3 工程应用刘庄煤矿东二采区11-2 槽煤层划分为五个区段开采，121101 工作面已回采结束， 121102 工作面上邻121101 工作面采空区，下方为实体煤，风巷沿采空区留7 m 小煤柱掘进; 断面为半圆拱形; 断面尺寸: 掘进断面宽度为5 200 mm，高度为4 100 mm。风巷支护参数如下:（1）顶板: 顺槽顶板支护采用22 2 500 mm的20MnSi 左旋无纵筋螺纹钢等强预拉力锚杆，配和走向钢带和三角形金属网联合支护，锚杆间排距为800 800 mm。顶板锚杆全部垂直于巷道表面，顶部锚杆共10 根。巷道掘出520 m 后，及时进行顶部锚索支护
14、，锚索间排距为1 600 mm 1 600 mm，每断面布置3 根，中间锚索布置为纵向槽钢组合桁架锚索，纵向槽钢安装在巷道中部，槽钢梁长3.6 m，每根槽钢梁上安装3 根锚索。锚索倾角从下帮到上帮分别为56、72和90。（2）帮部: 两帮锚杆采用22 2 500 mm 的20MnSi 左旋无纵筋螺纹钢等强预拉力锚杆，高帮间排距为600 mm 800 mm; 帮锚杆共4 根，全部为水平布置。（3） 巷道两帮距巷道底板为300 mm 的底角锚杆俯斜角为30，底角锚杆共布置2 根。（4）锚杆均采用全长锚固+ 走向W 型钢带，钢带长2.5 m 风巷掘进期间巷道支护效果如图9 所示。4 结论（1）煤柱宽
15、度对应力分布影响较大。巷道掘进期间，软煤煤柱较小时其应力较小并且应力均匀; 随煤柱宽度增大，煤柱内最大应力增大，煤柱宽度达到5 m 后，最大应力增加不明显，最大应力在煤柱内的位置也相差不大，应力分布近似呈三角形。硬煤煤柱应力分布与软煤差别较大; 煤柱宽度对最大应力影响不大，煤柱较小时应力分布近似呈三角形; 煤柱较大时近似呈梯形分布。硬煤的煤柱应力均大于相应软煤煤柱的应力。采动影响阶段，煤柱最大垂直应力随煤柱宽度增大而提高。软煤和硬煤3 m 以下煤柱的应力均趋于均化; 与掘进阶段相比，煤柱中部应力降低，5 m以上硬煤煤柱应力增加均较大，而软煤煤柱应力增加不大; 煤柱较小时，最大垂直应力降低，其位置向巷道侧移动; 煤柱较宽时，最大垂直应力升高，其位置向采空区侧移动。图9 掘进期间风巷支护效果图（2）不同锚杆支护强度对软煤变形的影响于硬煤，当煤柱宽度在37 m 时，高支护强度对控制围岩变形效果更好。（3）沿空掘巷煤柱的合理宽度为: 软煤57 m，硬煤35 m。参考文献1 张俊云，柴敬 沿空留巷研究中若干问题分析J 矿山压力与顶板管理，2000，( 1 ) : 38-392 徐乃忠，涂敏 厚煤层沿空掘巷底臌机理及控制 安徽理工大学学报( 自然科学版) ，2004，24 ( 2) : 1-43 徐乃忠，涂敏，徐仁海 深井大断面沿空掘巷底臌变形控制技术研究
