大煤柱

圖3 大煤柱內(nèi)沿空掘巷三維數(shù)值模型圖 Fig.3 Three-dimensional numerical model of roadway driving along next goaf in large pillar

3 窄煤柱寬度的確定

3.1 窄煤柱寬度的極限平衡理論計算

該礦E1305工作面采空區(qū)邊緣基本頂巖層形成穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”，使采空區(qū)邊緣的煤體存在應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力波動區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，為減小E1303瓦排巷圍巖應(yīng)力，保證巷道安全，應(yīng)將巷道布置在采空區(qū)邊緣煤壁里側(cè)的應(yīng)力降低區(qū)

[1,9]

。E1303瓦排巷窄煤柱寬度應(yīng)盡可能小，以降低

支承應(yīng)力對其的影響，使其處于應(yīng)力降低區(qū)，同時還應(yīng)保證錨桿錨固穩(wěn)定，并綜合考慮巷道變形及減少煤炭資源損失。所以，窄煤柱合理寬度B應(yīng)結(jié)合巷道兩幫應(yīng)力分布和極限平衡理論計算得出，如式(1)，具體如圖4所示[1-2,9]。

B?X1?X2?X3 (1)

圖5 采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力三維數(shù)值模型圖 Fig.5 Three-dimensional numerical model of stress of the

section of the lateral support goaf

圖4 窄煤柱寬度計算圖

Fig.4 Calculation figure of narrow pillar width

垂直應(yīng)力/MPa

式中：B為煤柱寬度，m；X1為工作面開采后在采空側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；X3為錨桿有效長度，取1.2 m；X2為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定系數(shù)，按(X1?X3)?(30%~50%)計算。

X1按式(2)計算：

圖6 E1305工作面回采后煤層上方的垂直應(yīng)力分布規(guī)律

Fig.6 Stress distribution laws of above coal seam

after mining of E1305 workface

由圖6分析可知，當(dāng)E1305工作面回采完畢，開采打破原巖平衡，在采空區(qū)邊緣形成應(yīng)力集中，由于E1303回風(fēng)巷(也即E1305輔運巷)在E1305工

258

采礦與安全工程學(xué)報 第31卷

z / MPa

作面回采以前就已經(jīng)存在，使E1305采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布帶具有如下4區(qū)：應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、應(yīng)力波動區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。

具體分布規(guī)律如下：垂直應(yīng)力在煤巖體內(nèi)的最大應(yīng)力集中系數(shù)可達到4.3左右，垂直應(yīng)力總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。距側(cè)向煤壁0~1.0 m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力由17.8 MPa降低到9.4 MPa，這是由于E1305運輸巷巷高3.5 m，在E1305回采過程中巷道頂部的煤層沒有完全垮落，造成局部煤體在采空區(qū)側(cè)向煤壁處形成應(yīng)力集中；距側(cè)向煤壁1.0~8.0 m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力由9.4 MPa迅速升高到43.9 MPa，其應(yīng)力升高速度急而快，但當(dāng)煤柱寬度為5 m時，支承應(yīng)力有個短暫的減緩；距側(cè)向煤壁8.0~42.5 m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力由43.9 MPa持續(xù)降低到12.3 MPa；距側(cè)向煤壁42.5~52.5 m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力由12.3 MPa迅速降低到7.9 MPa，這是由于E1303回風(fēng)巷的卸壓作用使巷道周圍的圍巖應(yīng)力降低；距側(cè)向煤壁52.5~62.5 m范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力由7.9 MPa升高到11.4 MPa；當(dāng)距側(cè)向煤壁距離大于62.5 m時，垂直應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，其值為11.4 MPa。

綜述，采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布具有如下規(guī)律：距采空區(qū)側(cè)向煤壁0~5 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，距采空區(qū)側(cè)向煤壁5~42.5 m范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)，距采空區(qū)側(cè)向煤壁42.5~62.5 m范圍內(nèi)為應(yīng)力波動區(qū)，距采空區(qū)側(cè)向煤壁距離大于62.5 m的范圍稱為原巖應(yīng)力區(qū)；垂直應(yīng)力總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。據(jù)此認為在距采空區(qū)側(cè)向煤壁5.0 m左右時，其應(yīng)力較低，因此窄煤柱的合理寬度確定為5.0 m。 3.2.2 煤柱應(yīng)力分布與煤柱寬度的關(guān)系

本文在既定大煤柱寬度為50 m的情況下確定研究方案，詳見表2。

表2 護巷煤柱寬度方案

Table 2 Program of the chain pillar width

方案 煤柱寬度/m

方案 煤柱寬度/m

一

二

三

四

五

六

七

八15

九20

542 m;30 m;

1041 m;15

2025煤柱寬度/m40 m;39 m;3037 m;355 m;

403 m

45

圖7 回采期間不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布曲線

Fig.7 Stress distribution curves of different pillar widths during mining

重新分布，窄煤柱寬度對窄煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力影響較大，窄煤柱寬度較小時，其垂直應(yīng)力分布呈單駝峰、甚至半駝峰形狀，且其應(yīng)力值較小，窄煤柱寬度較大時，其垂直應(yīng)力分布呈雙駝峰形狀，且其應(yīng)力值較大。煤柱寬度為3 m時，窄煤柱靠上區(qū)段采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力達到3 m煤柱內(nèi)應(yīng)力的最大值，其值為14.3 MPa，是其巷道側(cè)應(yīng)力值(其值為4.7 MPa)的3.1倍，這是由于上區(qū)段運輸巷頂部煤層在回采過程中沒有完全垮落，造成局部煤體在采空區(qū)側(cè)向煤壁處形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象所致；煤柱寬度由3 m增加到5 m時，其峰值應(yīng)力由14.3 MPa增加到19.8 MPa，僅增大1.3倍；煤柱寬度由5 m增加到15 m時，其峰值應(yīng)力由19.8 MPa增加到47.5 MPa，增大2.4倍，此時峰值應(yīng)力為不同煤柱寬度時的最大值；煤柱寬度由15 m增加到30 m時，其峰值應(yīng)力由47.5 MPa減小到40.2 MPa，且此區(qū)間范圍內(nèi)的煤柱形成大致呈“正梯形”的應(yīng)力分布；煤柱寬度由30 m增加到42 m時，其峰值應(yīng)力由40.2 MPa增加到47.0 MPa，此區(qū)間范圍內(nèi)的煤柱呈現(xiàn)雙駝峰形狀的應(yīng)力分布，且其前駝峰峰值小于后駝峰峰值。由此可知，大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱寬度為3~5 m時，煤柱內(nèi)的應(yīng)力較小，且其峰值應(yīng)力也較��；為5~15 m時，其煤柱內(nèi)應(yīng)力及其峰值應(yīng)力都在上升；為15~30 m時，整個煤柱內(nèi)都積聚著高應(yīng)力；為30~42 m時，在沿空掘巷的窄煤柱側(cè)積聚著更高的應(yīng)力環(huán)境。因此，要保證大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤

3 4 5 6 8 10 12十

十一

十二 35

十三 40

十四 42

25 30

不同護巷煤柱寬度在E1303工作面回采后窄煤柱和寬煤柱內(nèi)的圍巖應(yīng)力分布，如圖7所示。

由圖7分析知，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布具有如下規(guī)律： 1) 窄煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律：工作面回采后，大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力再一次

第2期

張科學(xué)等：大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定

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柱內(nèi)的垂直應(yīng)力處于低應(yīng)力水平，窄煤柱的合理寬 度確定約為 5 m。 2) 寬煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力分布規(guī)律：工作面回采 后，大煤柱內(nèi)沿空掘巷寬煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力再一次 重新分布，寬煤柱寬度對寬煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力影響 也較大，寬煤柱寬度較小時，其垂直應(yīng)力分布呈單 駝峰形狀，或者一個半駝峰形狀，但其應(yīng)力值相對 較大，寬煤柱寬度較大時，其垂直應(yīng)力分布呈雙駝 峰形狀， 且其應(yīng)力值相對較小。 煤柱寬度為 3 m 時， 寬煤柱靠本區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力達到 3 m 煤柱內(nèi)應(yīng)力的最大值，其值為 18.7 MPa，是其巷道 側(cè)應(yīng)力值(其值為 0.11 MPa)的 170 倍，這是由于本 區(qū)段工作面回采形成的采動應(yīng)力影響所致；煤柱寬 度由 3 m 增加到 5 m 時，其峰值應(yīng)力由 18.7 MPa 增大到 30.4 MPa，增大 1.6 倍，而同等條件下窄煤 柱峰值應(yīng)力增大倍數(shù)僅為 1.3 倍，且寬煤柱寬度為 5 m 時煤柱內(nèi)的最大應(yīng)力值是窄煤柱寬度的 1.5 倍； 煤柱寬度由 5 m 增加到 15 m 時， 其峰值應(yīng)力由 30.7 MPa 增加到 45.6 MPa，增大倍數(shù)為 1.5，此時峰值 應(yīng)力為不同煤柱寬度時的最大值； 煤柱寬度由 15 m 增加到 30 m 時， 其峰值應(yīng)力由 45.6 MPa 減小到 40.9 MPa，且此區(qū)間范圍內(nèi)的煤柱形成也大致呈現(xiàn)“正

梯形”的應(yīng)力分布；煤柱寬度由 30 m 增加到 42 m 時，其峰值應(yīng)力波動變化不大，且此區(qū)間范圍內(nèi)的 煤柱也呈現(xiàn)雙駝峰形狀的應(yīng)力分布，且其前駝峰峰 值大于后駝峰峰值。由此可知，大煤柱內(nèi)沿空掘巷 合理位置應(yīng)靠近上區(qū)段采空區(qū)側(cè)；大煤柱內(nèi)沿空掘 巷寬煤柱寬度為 3~5 m 時，煤柱內(nèi)的應(yīng)力相對窄煤 柱寬度為 3~5 m 時較大， 且其峰值應(yīng)力也相對較大； 為 5~15 m 時，其煤柱內(nèi)應(yīng)力及其峰值應(yīng)力不斷上 升；為 15~30 m 時，整個煤柱內(nèi)存在“正梯形”的 高應(yīng)力分布；為 40~42 m 時，沿空掘巷的窄煤柱側(cè) 存在較低的應(yīng)力環(huán)境。 綜述大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱圍巖應(yīng)力分布 規(guī)律如下：窄煤柱寬度為 3~5 m 時，煤柱內(nèi)的圍巖 應(yīng)力較小；窄煤柱寬度為 3~15 m 時，其垂直應(yīng)力 分布呈單駝峰形狀；窄煤柱寬度為 15~30 m 時，其 垂直應(yīng)力分布呈“正梯形”形狀；窄煤柱寬度為 30~42 m 時，其垂直應(yīng)力分布呈雙駝峰形狀。據(jù)此 認為 E1303 瓦排巷窄煤柱的合理寬度確定為 5 m。 3.2.3 巷道圍巖應(yīng)力分布與煤柱寬度的關(guān)系 巷道圍巖的變形及其破壞，在一定程度上與其 所處的巷道圍巖應(yīng)力密切相關(guān)[1]。E1303 瓦排巷巷 道圍巖的垂直應(yīng)力分布如圖 8 所示。

Fig.8

圖 8 不同煤柱寬度下 E1303 瓦排巷的垂直應(yīng)力分布 Vertical stress distribution of E1303 tile row roadway of different pillar widths

由圖 8 可知，受 E1303 工作面回采影響，不同 煤柱寬度下 E1303 瓦排巷圍巖應(yīng)力分布特征為： 1) 巷道底板圍巖應(yīng)力隨煤寬的變化整體上處 于低應(yīng)力狀態(tài)，但巷道頂板圍巖應(yīng)力，尤其巷道兩 幫圍巖應(yīng)力的不斷調(diào)整變化，使巷道圍巖應(yīng)力向底 板轉(zhuǎn)移，從而造成表面上看到的巷道底鼓最嚴重。

2) 隨煤寬的增加， 窄煤柱幫圍巖應(yīng)力從無應(yīng)力 集中到少應(yīng)力集中，再到部分應(yīng)力集中，最后到大 范圍內(nèi)應(yīng)力集中。 3) 隨煤寬的增加寬煤柱幫圍巖應(yīng)力圈(相同應(yīng) 力值組成的曲線圈)分布總體呈現(xiàn)先逐漸減小后增 大的過程；煤柱寬度由 3 m 增至 5 m 時，寬煤柱幫

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采礦與安全工程學(xué)報 第31卷

圍巖應(yīng)力圈減小，且形狀趨于均勻；煤柱寬度由5 m增至15 m時，寬煤柱幫圍巖應(yīng)力圈明顯減小，當(dāng)煤柱寬度為15 m時，寬煤柱幫沒有形成明顯的圍巖應(yīng)力圈，說明此區(qū)域內(nèi)的圍巖應(yīng)力較均勻；煤柱寬度由15 m增至20 m時，煤柱幫圍巖應(yīng)力圈從部分應(yīng)力集中到大范圍內(nèi)應(yīng)力集中，且此時峰值應(yīng)力為41.7 MPa。

4) 巷道頂板上的圍巖應(yīng)力分布隨煤寬變化規(guī)律性不強，但其圍巖應(yīng)力圈具有一定的影響范圍。

綜述，大煤柱內(nèi)沿空掘巷兩幫的圍巖應(yīng)力分布受煤柱寬度變化的影響最大，巷道頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力受其影響變化不大，使巷道整體圍巖處在較好的應(yīng)力環(huán)境中的窄煤柱合理寬度為5 m。 3.2.4 巷道圍巖塑性區(qū)與煤柱寬度的關(guān)系