王刚 WANG Gang
（神华宁夏煤业集团有限责任公司石沟驿煤业分公司，灵武 751406）
（Shi Gouyi Coal Company Branch of Shen Hua Ningxia Coal Industry Group，Lingwu 751406，China）
摘要： 合理的煤柱宽度能够保证工作面巷道的稳定性，改善沿空掘巷维护状况，降低由于矿山压力造成的巷道变形，煤柱宽度的确定对于提高煤柱回收率、保障安全高效的生产起到积极作用。本文针对煤矿沿空掘巷具体生产地质条件，采用数值计算及现场试验相结合的方法，研究了沿空掘巷窄煤柱的合理的煤柱宽度，得到S2105瓦斯排放巷和S2106回风巷之间合理煤柱宽度为8 m，为该矿地质条件下煤柱留设的合理宽度确定提供了理论依据。
Abstract： The reasonable width of coal pillars provides the possibility of ensuring the stability of the roadway in the working face， betters the maintenance situation in the driving roadway along goaf， lessen the roadway deformation because of the mine pressure． The confirmation of the width of the coal pillars could be benefic to the recovery rate of coal pillars， plays an active part in ensuring high productive and high efficiency. For geological conditions of specific production of the deep coal seams roadway driving along next goaf， using the methods of theoretical analysis， numerical calculation and the combination of field and test， obtaining certainmethod of reasonable width of chain pillar of deep coal seams roadway driving along next goaf， the reasonable width of the narrow pillar is 8 m， which provide a scientific basis for the reasonable width of deep coal seams roadway driving along next goaf pillar improving difficult situation of this coal mine.
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关键词 ： 沿空掘巷；窄煤柱；煤柱宽度；数值模拟
Key words： roadway driving along next goaf；narrow pillar；pillar width；numerical simulation
中图分类号：TD35 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0110-04
作者简介：王刚（1988-），男，宁夏石嘴山人，2011年毕业于中国矿业大学，研究方向为煤矿采掘技术。
0 引言
长久以来，对受采动影响的巷道一般留煤柱护巷。随着矿井开采深度的增加，护巷煤柱宽度越来越大，不仅造成巷道维护困难、费用高和维护效果差，而且大大降低煤炭采出率。
本文针对煤矿沿空掘巷具体生产地质条件，采用数值计算及现场试验相结合的方法，研究了沿空掘巷窄煤柱的合理的煤柱宽度。
1 工作面位置及开采条件
S2106工作面开采煤层为3#煤层，平均厚度为5.35 m，煤层倾角为0～8.3°，平均为2.5°，容重为1.39 t/m3。煤质松软、煤层厚度较稳定，煤层夹矸为泥岩。S2106工作面平面布置图和909钻孔柱状图如图1、2所示。
2 窄煤柱留巷数值模拟分析
2.1 数值模拟模型的建立
根据S2106工作面生产地质条件，模拟S2106工作面回风顺槽和瓦排巷之间煤柱的留设及其稳定性，瓦排巷与上区段S2105工作面的回风顺槽之间净煤柱宽度为35 m。首先回采S2105工作面，然后在实体煤中距瓦排巷一定宽度掘进S2106回风顺槽，最后回采S2106工作面。需要设计的煤柱主要受本区段S2106工作面回采超前支承压力、侧向支承压力和采空区支承压力的影响。
模拟煤层厚度6.0m。将煤层划分为0.5 m×0.5 m（宽×高，以下同）的块体，直接顶1.2 m×0.6 m，底板1.2 m×0.8 m，作为关键层的岩块体宽15 m。整个模型尺寸（宽×高）300 m×86 m，上边界载荷按采深463m计算，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，原始计算模型如 图3所示。
S2106瓦排巷宽×高为4.8 m×3.2 m，基本支护参数见图4。研究合理的窄煤柱宽度时，锚杆支护参数保持不变，顶、帮锚杆均采用φ22 mm×L2400 mm的左旋螺纹钢锚杆，树脂药卷全长锚固；顶锚杆间距860 mm，排距900 mm，并在顶板布置加强锚索，锚索参数为φ17.8×8300 mm，帮锚杆间距900 mm，排距900 mm。
根据S2106回采期间瓦排巷的变形情况修正数值模拟中各岩层﹑煤层的力学参数见表1。
2.2 数值模拟方案
煤柱合理宽度，应避开基本顶断裂前峰值压力，且使巷道位于基本顶断裂后的应力降低区内，并能降低因顶板断裂下沉引起的巷道变形。为防止回风顺槽与瓦排巷在掘进时相互产生不利的影响，煤柱宽度不应小于巷道宽度的1倍。结合S2106工作面生产地质条件，在给定支护条件下，只考虑煤柱宽度的影响，设计计算方案共7个。分别为留设6、7、8、10、12、14、20 m煤柱，见表2所示。
3 数值模拟结果及分析
3.1 煤柱内应力场分布特征分析
取煤柱高度一半的中部层位研究煤柱内应力场分布情况。掘进期间沿煤柱宽度方向的垂直应力、水平应力分布见图5、图6。
由图5和图6可见，掘巷阶段回风顺槽与瓦排巷之间煤柱内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6 m增大到20 m时，煤柱内垂直应力均呈现应力驼峰现象，说明在上区段侧向支承压力和巷道掘进应力影响下，两者应力出现叠加。随着煤柱宽度的增加，应力叠加现象减弱，煤柱宽度大于8 m后，煤柱内两个垂直应力峰值之间平滑段逐渐增加，说明煤柱内弹性区范围越来越大。
②煤柱宽度对应力峰值的影响。随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力峰值逐渐减小，且煤柱内回风顺槽一侧垂直应力峰值降低更明显，煤柱6m时应力峰值为25.5 MPa，20m时则减小为18MPa。
③煤柱宽度对煤柱浅部应力的影响。煤柱宽度小于10m时，煤柱两侧浅部应力较小约为8～10MPa；大于10m后，瓦排巷一侧浅部应力增大为12MPa，回风顺槽一侧浅部应力减小为8MPa。
④煤柱宽度对水平应力分布的影响。煤柱边缘因开挖影响，水平应力减小或降低，煤体受力状态由三向受力变为二向受力状态，而煤柱内部仍为三向受力。实验表明，岩石强度在三轴状态下明显大于二轴受力，所以水平应力是影响煤柱强度的重要因素。水平应力在煤柱内的分布特征呈现应力“单峰”现象。随着煤柱宽度的增加，煤柱内水平应力逐渐增大，且峰值通常在煤柱中部，煤柱宽度为6m时水平应力峰值仅为8MPa，20m时则达到了18.2MPa，煤柱内水平应力的增加提高了煤柱强度，有利于煤柱的稳定。
综合煤柱内垂直应力和水平应力分布特征：煤柱小于7m时，煤柱内垂直应力远大于水平应力，煤柱受力环境差，不利于煤柱稳定。随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力减小，水平应力增加，煤柱强度在此受力条件下得到提高，煤柱稳定性好。
3.2 煤柱内塑性区分布特征分析
受上区段回采影响，瓦排巷围岩内产生塑性区，不同宽度的煤柱内塑性区分布特征如图7所示。
由图7可知，回风顺槽掘进后，区段煤柱内塑性区分布有如下特征：
①巷道沿泥岩底板开挖后，在二次应力作用下巷道周围出现塑性区，当两条巷道距离较远时，巷道周围的塑性区互不影响，而距离较小时，巷道帮部塑性区会互相重叠，导致中间煤柱完全处于塑性状态。
②随着煤柱宽度的增加，煤柱内塑性区的范围逐渐减小。当煤柱宽度小于8m时，煤柱完全处于塑性区；煤柱为8m时，煤柱内塑性区明显减小，中部出现弹性区；煤柱大于10m后，塑性区只存在煤柱边缘，煤柱中间为弹性区。从图中可以看出，瓦排巷两帮和顶部无破碎区，只有在瓦排巷底板出现部分破碎区，说明瓦排巷存在底鼓现象。
根据数值模拟结果，留设煤柱时，应使巷道布置在应力降低区内，避开垂直应力峰值的影响范围。因此，S2106工作面瓦排巷与回风顺槽之间煤柱的宽度应当小于10m或者大于20m，同时为了减窄煤柱损失，提高采出率，留设煤柱宽度应小于10m。留设煤柱小于8m时，本区段回风顺槽掘进期间，煤柱中部就进入塑性区，且垂直应力峰值相对较大而水平应力相对较小。因此确定S2106工作面回风顺槽与瓦排巷之间的煤柱宽度为8m。
4 结论
由数值模拟分析，得出以下结论：①随着煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力减小，水平应力增加，煤柱强度在此受力条件下得到提高，煤柱稳定性好。②根据数值模拟结果，确定该矿条件下S2106工作面回风顺槽与瓦排巷之间的煤柱宽度为8m，既能提高煤炭采出率又能保证煤柱稳定性。
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