白芨沟煤矿区段煤柱内沿空掘巷窄煤柱留设尺寸研究

孟德健，秦广鹏，蒙江波，柏亚辉

(1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.煤矿充填开采国家工程实验室，山东 泰安 271000；3.山东科技大学资源与土木工程系，山东 泰安 271000)

有学者[1-3]通过对沿空掘巷理论机理研究，构建了大量沿空掘巷道围岩、煤柱受力力学模型，研究了巷周矿压显现规律及应力分布特征，并引入内应力场理论来解决沿空巷道位置选择问题；部分学者[4-7]通过对工作面应力场分析，运用支护围岩强度强化理论，基于综放工作面沿空掘巷围岩控制机理，针对不同条件、不同状态下的巷道围岩变形问题，提出多种高强高预紧力锚网索支护体系思路；还有学者[8-9]运用FLAC3D数值模拟软件，针对多种复杂开采条件下窄煤柱留设尺寸展开了详细的研究，依据大量现场实测数据作为验证，系统地得出沿空掘巷窄煤柱留设尺寸的研究方法。以上研究成果表明，众多学者针对各类复杂地质条件沿空掘巷进行了大量研究，并形成了成体系的沿空巷道围岩控制理论与新技术，但对于特厚煤层分层开采条件下沿空掘巷研究相对较少，尤其是将巷道布置在区段煤柱内，巷道围岩、区段煤柱内应力分布规律，以及各分层采动影响下巷道变形规律研究几乎为零。本文以白芨沟010203工作面沿空掘专用瓦斯通排巷为工程背景，对大尺寸区段煤柱内沿空掘巷窄煤柱留设尺寸展开研究。

1 工程背景

白芨沟煤矿010203工作面位于汝箕沟向斜西翼，工作面标高1 782.4～1 854.1 m，与010202工作面计划留30 m区段保护煤柱。煤层平均埋深在135 m左右。工作面主采二3煤层，煤层地质构造简单，采用分层综放开采，共计4个分层，煤层厚度约为12.66 m。煤层顶底板岩层结如图1所示。

白芨沟井田二3煤层的煤属优质无烟煤，瓦斯含量大，010203工作面瓦斯绝对涌出量预计可达65 m3/min。为确保工作面的安全生产，需在工作面回风平巷一侧布置瓦斯通排巷对区段各分层工作面瓦斯进行治理。 计划在010202工作面四分层回采完毕后开始掘进瓦斯巷。 按照当前采掘工程布置情况，瓦斯治理巷只能布置在相邻区段保护煤柱内(图2)。

图1 煤层顶底板结构图

图2 瓦斯巷位置示意图

2 内应力场形成机理及理论计算

随着010202工作面的开采，煤柱上方基本顶因受覆岩荷载作用被迫在煤柱上方断裂，在煤柱上方形成一端深入煤柱塑性区，在顶煤层和直接顶的支撑作用下一端与相邻岩块铰接，一端触矸的内应力场结构[10]。该稳定结构可对覆岩载荷起到一定阻挡作用，因此将巷道布置在内应力场中，有利于减少巷道的形变量，保证巷道的稳定性。引用内应力场的计算公式见式(1)[11]。

(1)

结合010202工作面实验和现场测定靠近顶板断裂线处已进入塑性状态的煤体刚度G0为3.2 GPa；基本顶抗拉强度σε为3.82 MPa；煤壁处煤体压缩量y0取0.8 m；基本顶覆岩载荷q为323.4 kPa，基本顶岩层容重为2 500 kg/m3。代入式(1)可得内应力场宽度S1为8.35 m。

3 围岩侧向采动破坏的现场实测

3.1 测试方案

1) 1号钻孔布置在0102023工作面回风顺槽内超前25 m处，测试0102023工作面开采过程中超前区段侧向矿山压力分布规律(图3)。

2) 2号钻孔、3号钻孔布置在0102024工作面回风顺槽内，分别滞后0102023分层工作面100 m和150 m，测试覆岩层移动稳定之后的侧向支承压力分布规律。

钻孔深度15 m左右，钻孔直径为42 mm。各钻孔在钻进过程中进行钻屑法监测，钻孔成孔后，对钻孔进行钻孔电视监测，为010203工作面区段瓦斯巷与010202工作面间的窄煤柱留设尺寸研究提供现场测试依据。

图3 钻孔布置位置示意图

3.2 钻屑量测试结果及分析

钻屑法可间接反应煤体内压力的大小。钻孔钻屑量与侧向支承压力大小成正比关系，煤岩体所承受压力越大其钻孔钻屑量越多。钻屑量结果如图4所示。由图4可知，1号钻孔侧向支承压力峰值出现在距孔口5 m处。2号钻孔、3号钻孔钻屑结果近似，侧向支承压力峰值出现在距孔口8 m处。考虑为经分层工作面采动影响后，煤体内塑性区进一步发育，支承压力峰值内移3 m。2号钻孔、3号钻孔在距孔口0～7 m范围内整体处于低应力区域，在7 m处钻屑量最小，存在一个泄压点。主要由于侧向基本顶于塑性区内7 m上方破断且形成内应力场结构所致。在距孔口7～8 m范围内钻屑量急剧增加，于10 m后应力逐渐变缓。

3.3 钻孔窥视结果及分析

钻孔窥视图可直接观察煤层岩体内破坏情况。为了解采空区覆岩运移稳定后侧向煤体破坏情况，选取2号钻孔窥视图展开研究，如图5所示。

图4 钻孔钻屑量

图5 2号钻孔窥视图

在距孔口3.29 m以内，由于煤体靠近巷帮，在采掘期间反复泄压，此范围内煤体完全破坏，应力向深处转移，故成孔后孔壁表现为极其破碎但变形程度较为缓和。在距孔口5.19 m处，由于位于受相邻工作面采动影响而形成的塑性区内，孔内部分区域变形严重且有破碎性凸起，钻孔上方区域煤体呈破碎状态。在距孔口5.73 m处，此处位于内应力场结构内，煤体破坏程度较轻，孔壁较为光滑，但存在裂隙成斜向发育。在距孔口6.39 m处应位于基本顶断裂线附近，孔壁较为破碎，有裂隙呈环带发育。在距孔口7.74 m以外，钻孔破坏程度明显有缓和趋势。

由图4和图5可知，基本顶在大煤柱上方处破断后形成内应力场结构承担覆岩荷载，以7 m为界，在7 m处为侧向基本顶在煤柱上方的破断位置，7 m以内为侧向支承压力的内应力场，7 m以外为外应力场。 因此单纯从巷道支护的角度，留设5 m的小煤柱，使煤柱处于内应力场下，便可以满足巷道的使用要求。

4 合理窄煤柱留设尺寸的数值分析

4.1 模型建立

数值模型采用摩尔-库伦弹塑性模型，采空区采用双屈服(D-Y)模型，模拟埋深135 m，主要涉及到的岩石力学参数见表1。

表1 数值模拟采用的岩体力学参数

4.2 不同煤柱尺寸垂直应力分布分析

根据白芨沟煤矿采掘情况模拟开挖，当010203各分层工作面回采完毕后，区段煤柱内垂直应力分布如图6所示。由图6可知，受010203各分层工作面采动影响后，不同窄煤柱宽度下010203工作面瓦斯巷围岩应力分布特征如下所述。

1) 巷道顶底板垂直应力随着留设煤柱尺寸增加变化不大，均处于较的低应力环境内。

2) 巷道右侧宽煤柱内垂直应力的分布范围、峰值，随着煤柱留设增加逐渐减小，而窄煤柱内不断增大，高应力区由宽煤柱内转移至窄煤柱内，且留设煤柱尺寸越大转移程度越大。当煤柱留设尺寸由5 m增加至15 m时，窄煤柱内垂直应力由4 MPa逐渐增长为11 MPa，宽煤柱内垂直应力由13 MPa逐渐减小为8 MPa。

3) 在留设5 m煤柱时，在巷道右侧、右下侧出现不连续应力集中区域，主要由于宽煤柱内破坏程度较轻，煤柱内可积蓄大量弹性能。在留设8 m煤柱时，应力集中区域主要出现在在宽煤柱内，但结合图6(c)可知，此时应考虑为宽窄煤柱塑性区贯通前的临界状态，若煤柱留设尺寸大于8 m，宽煤柱内高应力区域开始大幅度转移至窄煤柱内。 在留设10 m煤柱时巷道两侧均存在高应力区域，且应力数值相近，宽煤柱侧高应力分布范围稍大。在留设15 m煤柱时，应力集中区出现在窄煤柱内，宽煤柱基本丧失承载能力，应力峰值仅为8 MPa。由图6可知，特厚煤层区段煤柱在经采动影响后，高应力区的发育位置与薄煤层、中厚煤层不同，高应力区域基本成一个角度在煤柱内发育。且由于010203工作面瓦斯巷布置在煤层顶板附近，仅以巷道顶底板所在直线对巷道应力分布、煤柱内应力分布进行分析过于片面，故本文监测线引用修正角α，tanα=2,对煤柱内应力分布进行科学合理的研究。

图6 不同窄煤柱宽度下应力等值线云图

图7为不同窄煤柱宽度下煤柱内垂直应力分布曲线。 由图7可知，留设5 m窄煤柱时。 窄煤柱内应力整体较低，应力峰值仅为4.52 MPa，应力分布呈半驼峰状。宽煤柱内存在两个应力峰值，出现在距巷道右肩角5 m、11 m处，应力峰值分别为12.90 MPa、13.41 MPa，应力分布呈双驼峰状，两峰值间存在约5 m的弹性区域；留设窄煤柱尺寸由5 m增加到8 m时，窄煤柱内应力峰值增长为8.06 MPa，应力分布呈单驼峰状，宽煤柱侧应力峰值形成一个区域，区域内对应的应力值约为12.2 MPa，应力分布呈梯形，应力呈梯形分布应是处于单驼峰与双驼峰状之间的状态，若煤柱进一步破坏则转变为单驼峰状，若工作面回采后所保留的弹性区域增大，则表现为双驼峰状；留设10 m煤柱时，窄煤柱内峰值为9.21 MPa，宽煤柱内峰值为10.45 MPa，两侧应力分布均呈单驼峰状，且两侧峰值大小相近；留设15 m窄煤柱时，窄煤柱内应力峰值区域约为11.60 MPa，应力分布呈梯形，宽煤柱侧应力峰值为8.39 MPa，应力分布呈单驼峰状。

图7 不同窄煤柱宽度下煤柱内垂直应力分布曲线

结合图6和图7可知，当留设15 m窄煤柱时，随着010203各分层工作面回采，宽煤柱受采动影响而逐渐破坏，峰值向煤柱深处移动，部分应力转移至窄煤柱内，虽然窄煤柱内存在弹性核，但考虑到峰值内移过程中经过巷道，巷道受采动动压影响剧烈，支护势必受到严峻考验。留设10 m煤柱时，巷道两侧均存在应力集中区，巷道围岩应力环境差，在回采过程中可能导致巷道两帮均出现较大变形，同样不利于维持巷道的稳定性。留设5 m窄煤柱、8 m窄煤柱时，宽煤柱内应力峰值出现的位置、数值相近，但5 m窄煤柱内的应力明显低于8 m窄煤柱。因此，从应力分布方面考虑，选择留设5 m窄煤柱最为合理。

4.3 不同煤柱尺寸巷道变形分析

通过对010203工作面瓦斯巷表面位移数据系统性整理，得出巷道在各分层采动期间巷道变形规律如图8所示。由图8可知，巷道底板在各分层回采阶段变形量极小，变形量的规律性仅表现为一条近水平直线。在掘巷完成期间内，巷道变形量随着煤柱尺寸的增加而递减。煤柱为5 m时巷道变形量最大，尤其是窄煤柱巷帮，变形量可达140 mm。但在各分层回采过程中，三种巷道变形量增幅稳定，增长趋势近似成一条直线。各分层回采完毕后顶板下沉量为207 mm，两帮移近量为610 mm。15 m煤柱下巷道变形最为剧烈，第一分层回采完毕后巷道变形增幅最大。表明010203工作面在第一分层回采过程中宽煤柱就已丧失大部分承载能力，塑性区与巷道局部贯通，巷道变形剧烈。之后随着分层工作面下移，巷道变形量增幅递减。各分层回采完毕后顶板下沉量为438 mm，两帮移近量为1 527 mm。在8 m、10 m煤柱下三种巷道变形曲线发育趋势相似，于第二分层开采完毕后出现拐点。尤其是8 m煤柱下，顶板、宽煤柱巷帮变形量在二分层开采前于5 m煤柱数值相近。表明在第三分层开采过程中，工作面侧向采动影响波及巷道，煤柱塑性破坏。 各分层回采完毕后顶板下沉量分别为287 mm、399 mm，两帮移近量分别为803 mm、1 240 mm。

图8 不同采掘阶段瓦斯巷变形量

综上所述，窄煤柱留设尺寸对于两帮移近量影响最为显著，留设5 m煤柱下受010203各分层工作面采动影响较小，巷道变形量最小，虽然在掘巷期间窄煤柱帮可能变形显著，但只要选取适宜的支护体系，便可满足工程需求。

5 区段煤柱内留窄煤柱沿空掘巷注意事项

1) 巷道掘进期间：窄煤柱处于边缘煤体支承压力降低区内，巷道压力显现较弱，但由于窄煤柱完全处于塑性状态，可导致掘巷期间巷道窄煤柱侧较大的变形，这是正常现象，变形过后巷道进入稳定阶段。且窄煤柱内少数裂隙导通采空区，导致巷道内瓦斯含量明显增大，因此要加强巷道内瓦斯浓度检测工作，加强掘进工作面通风，防止瓦斯积聚。

2) 工作面回采期间：在工作面超前支承压力影响下，巷道围岩破碎松散，尤其是巷道宽煤柱侧，破坏变形比较严重，出现局部片帮现象，导致锚杆锚固力、承载力、拉拔力降低，甚至极少数锚杆松动失效，有的锚杆被拉断。因此要加强对巷道支护的检查，对少数不合格锚杆要及时更换，确保巷道支护质量过关。

6 结 论

1) 引用内应力场计算公式，运用理论计算的方法求得内应力场分布范围为距煤壁0～8.35 m。且通过对现场钻屑量指标与钻孔窥视图的综合分析可知，工作面侧向5.73 m处围岩应力较低，煤体破坏程度较轻，考虑为存在内应力场结构，内应力场分布范围为工作面侧向0～7 m。

2) 当窄煤柱留设15 m时，巷道受010203工作面采动动压影响剧烈；留设10 m煤柱时，巷道两侧均存在应力集中区，巷道围岩应力环境差；留设5 m窄煤柱、8 m窄煤柱时，宽煤柱内应力峰值出现的位置、数值相近，但5 m窄煤柱内的应力环境明显优于8 m窄煤柱。

3) 在掘巷期间，巷道变形量随着煤柱尺寸的增加而递减。工作面回采期间，留设15 m煤柱时，在第一分层回采时塑性区已贯通巷道，巷道变形剧烈；留设8 m煤柱、10 m煤柱时，于第三分层回采时塑性区贯通巷道，巷道开始出现较大变形；留设5 m煤柱时虽然在掘巷期间窄煤柱帮可能变形显著，但在各分层回采完毕后巷道变形量远远小于其他情况，最终确定窄煤柱的合理宽度为5 m。