综放复合顶板错层位外错式沿空掘巷异型窄煤柱宽度优化研究

刘会景，林 陆，李敬凯，李廷照

(1.乌鲁木齐职业大学，新疆 乌鲁木齐 830001；2.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

近年来我国大力发展和应用厚煤层综放沿空掘巷技术，掘采期间沿空巷道维持稳定的关键在于留设合理的煤柱宽度，保证其宽度既具有一定承载能力又恰好能避开侧向支承压力峰值，我国学者针对沿空掘巷窄煤柱留设宽度以及围岩稳定性控制等难题进行了大量研究。侯朝炯等[1]提出综放沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理，为合理设计沿空掘巷窄煤柱宽度提供理论依据；李磊等[2]采用理论分析方法，建立沿空掘巷力学模型，推导出“内应力场”宽度表达式，确定了沿空掘巷合理位置；姜耀东、王德超等[3-5]利用地应力测量三维建模技术和大型地址力学模型试验系统分别研究了工作面回采期间围岩应力变化，并据此探索出沿空巷道窄煤柱合理宽度确定方法；张科学、张广超、李学华、张洪伟等[6-9]，通过理论分析、数值模拟以及钻孔窥视，总结分析不同因素对综放沿空巷道窄煤柱变形和破坏规律的影响，确定窄煤柱合理留设宽度。其他学者也针对传统巷道布置下综放沿空巷道窄煤柱合理宽度留设和围岩控制方面进行了大量研究[10-15]，取得了较为丰富的研究成果；王志强等[16，17]则对错层位外错式沿空掘巷相邻区段间联合支护机理进行探究，研究表明在特厚煤层中采用错层位外错式沿空掘巷，沿空巷道处于底部实体煤弹性区域中且围岩应力较低。但目前研究大都针对传统巷道布置条件下煤柱稳定性、煤柱留设宽度及巷道围岩变形等方面深入研究，而对错层位巷道布置条件下沿空掘巷煤柱稳定性及煤柱合理留设宽度仍处于起步阶段。

故本文针对某矿综放复合顶板沿空掘巷顶板变形量大和窄煤柱帮上下变形不协调等控制难题，研究错层位与传统巷道布置下不同煤柱型式及尺寸下综放工作面沿空巷道围岩塑性区分布形态及垂直应力分布规律，确定错层位巷道布置下沿空掘巷窄煤柱合理留设宽度。

1 工程概况及巷道破坏特征

1.1 工程概况

试验矿井605工作面现阶段主采6号煤层，采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，煤层厚度为6.3～7.8m，平均厚度6.5m，顶煤含两层左右夹矸，单层夹矸厚度最小为0.14m，最大为0.27m，平均倾角3°，平均埋深325m。煤层直接顶为4m左右层状的软弱复合岩层。岩性由上至下分别为：砂质岩层、中砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩、砂质泥岩、砂泥岩互层，基本顶为6.8m中砂岩。煤层综合地质柱状图如图1所示。

图1 综合地质柱状图

1.2 巷道围岩变形破坏特征

605综放工作面巷道顶板为顶煤(含夹矸)和软弱岩层组成的复合层状岩体，各岩层间差异性强，粘结力弱，节理裂隙发育，两帮为煤体，受掘进和工作面采动影响，巷道维护困难，极易变形失稳，需进行反复的扩修才能维持巷道正常使用，该工作面煤巷顶板和窄煤柱变形破坏特征具有顶板岩性差异大、变形量大、变形时间长，窄煤柱帮上下变形不协调、碎胀变形显著等特点。

2 综放沿空巷道合理窄煤柱宽度理论计算

综放工作面回采后，受采动影响基本顶在侧煤内向实体内周期性破断，关键块B、相邻岩关键块A与关键块C形成铰接结构，如图2所示。基本顶的破断，导致上覆岩层传递到实体煤上的支承压力分布以断裂线为界线出现差异，形成“内、外应力场”，断裂线内侧至实体煤壁为“内应力场”范围S1，处于低应力状态；断裂线外侧至实体煤深部区域为“外应场”范围S2，外应力场范围的支承应力则由上覆岩层整体决定。“内应力场”S1存在，为沿空巷道提供了较好的应力环境。

图2 综放工作面沿空巷道基本顶破断结构

基本顶破断位置是沿空巷道布置的重要参考依据，为此建立侧向基本顶断裂前简化力学模型，如图3所示。其中侧向基本顶断裂位置可依据其最大弯矩所在位置，基本顶视为在上下方较软岩体夹持下的平面应变梁。图3中，qc为悬伸部分上方承受载荷；q0为上覆岩层重量；q1为上区段工作面采动影响下侧向基本顶上覆岩层应力增量；b为侧向支承压力影响范围；L为基本顶断裂前基本顶悬顶长度，约等于周期来压步距，根据现场实测约为18m；N′和Q′为已断裂岩块对关键块B的作用力。

图3 侧向基本顶破断弹性地基梁模型

考虑工作面侧向支承应力影响，根据文献[18，19]的研究结论，工作面实体煤内侧基本顶岩梁弯矩表达式为：

s=N/(EI)

α=(r/2-s/4)1/2

β=(r/2+s/4)1/2

式中，M0，Q0为x=0处梁截面内力。

留设窄煤柱沿空掘巷巷道围岩的稳定性不仅取决于上覆岩层结构运动，还取决于沿空巷道掘巷初期围岩体所处的应力应变状态，故为确定极限平衡区及破碎区范围建立煤层界面力学模型，如图4所示。

图4 煤层界面力学模型

在极限平衡区内，煤层界面处垂直应力σy和剪应力τxy为[20]：

当实体煤帮支承压力超过煤体极限强度时，煤帮浅部煤体将发生破坏，形成一定宽度的破碎区，此时煤帮支承压力降低至原岩应力以下，在界面CD处满足边界条件：

σy|x=l=γH

(3)

将边界条件式(3)带入式(2)可得：

将605工作面相关参数带入式(4)计算，可知破碎区宽度Ls=4.98m，该区域煤体处于残余承载状态，完整性较差，故确定工作面沿空巷道应沿破碎区布置在位于“内应力场”低应力区域内且围岩完整性较好的塑性区域。

3 传统综放工作面沿空掘巷围岩变形破坏机理

通过上述理论分析可知采空区侧“内应力场”宽度为12m，沿空巷道宽度为4.5m，为使沿空巷道处于“内应力场”低应力区域宽度范围内，同时考虑巷帮锚杆的支护范围，窄煤柱留设宽度范围应为3～7.5m，为便于研究和模拟，窄煤柱留设宽度范围取3～8m。

3.1 留设“T”型窄煤柱沿空掘巷围岩塑性区分布形态

围岩塑性区是评价巷道围岩稳定性的重要指标之一，亦是影响煤柱留设尺寸的重要指标。留设3～8m“T”型窄煤柱时，传统巷道布置条件下沿空掘巷时巷道围岩塑性区分布形态，如图5所示。

图5 不同尺寸“T”型煤柱巷道围岩塑性区分布

分析图5可知，“T”型窄煤柱整体多发生塑性破坏，处于残余承载阶段、承载力低、塑性变形大，同时由于巷道顶板为夹矸顶煤和软弱岩层组成的复合顶板，巷道顶板围岩塑性区和采空区侧向岩体塑性破坏区相互贯通，巷道围岩塑性的破坏范围增大，最大破坏区域位于沿空巷道顶板上部及煤柱，且窄煤柱和巷道顶板仍处于不稳定状态，仍有继续发生破坏的趋势。随着窄煤柱尺寸的增大，基本顶向采空区侧回转下沉，窄煤柱塑性剧烈破坏区分布形态有向采空区侧偏移的趋势。巷道两帮围岩塑性区整体呈非对称分布，窄煤柱帮基本全部处于塑性破坏状态，实体煤帮呈现出下部破坏区域大于中上部破坏区域，且破坏深度随着煤柱宽度增大而增加。

3.2 留设“T”型窄煤柱沿空掘巷围岩垂直应力分布形态

掘巷后巷道的掘出空间截断侧向支承压力在煤体内的连续分布，因此巷道两侧的窄煤柱和实体煤内部应力将重新调整。留设3～8m“T”型窄煤柱垂直应力分布图，如图6所示。

图6 不同尺寸“T”型煤柱时围岩垂直应力分布(MPa)

分析图6可知，沿空巷道实体煤帮垂直应力峰值为22 MPa左右，大于窄煤柱煤柱侧；当窄煤柱宽度3～5m时，巷道两侧煤帮垂直应力峰值差别不大；窄煤柱宽度7～8m时，窄煤柱内垂直应力逐渐增加，由3～6m时的10 MPa，增加到16 MPa，增幅较大。应力集中区域多位于沿空巷道窄煤柱帮中央，说明其是巷道顶板覆岩的承载主体，实体煤帮侧应力集中区域多位于实体煤肩角巷帮左上方区域。实体煤侧应力峰值区域中心与窄煤柱内应力峰值区域中心的连线不在同一直线上，而与水平方向呈30°左右的夹角，可知围岩主应力方向发生了偏转。

故传统布置条件下留设3～8m“T”型窄煤柱并不能改善综放复合顶板沿空掘巷围岩塑性区分布的非对称性，窄煤柱内应力分布呈现显著的中央大边缘小的差异性分布，窄煤柱帮处于不均衡承载状态，基本整体发生破坏。因此传统巷道布置方式沿空掘巷不能有效改善综放复合顶板沿空巷道围岩应力环境和窄煤柱帮稳定性。

4 错层位外错式沿空掘巷布置及围岩变形破坏机理

针对上述问题，提出错层位外错式沿空掘巷巷道布置方式，如图7所示。该布置方式突破了传统巷道沿底板布置方式的局限性，使沿空掘巷相邻区段间工作面回采巷道分别位于煤层的不同高度，一方面有利于减小上区段工作面顶板软弱岩层厚度，另一方面，上区段工作面回风巷沿顶板掘进，下区段工作面沿空巷道沿底板布置，在工作面右端形成起坡段改变了窄煤柱留设形式，形成由起坡段煤体和外错煤体组成的异型窄煤柱，与原留设“T”型煤柱相比，底部宽高比显著增加，提高了沿空巷道窄煤柱帮稳定性。

图7 错层位外错式沿空掘巷巷道布置方式

4.1 留设异型窄煤柱沿空掘巷围岩塑性区分布形态

本小节异型煤柱留设尺寸，仍以约定俗成的方式去定义，即以采空区侧煤壁为原点，沿采空区侧向工作面倾向方向与下区段巷道间留设煤柱尺寸为相邻区段间煤柱宽度尺寸。留设3～8m异型窄煤柱宽度，沿空巷道掘巷后围岩塑性区分布状态，如图8所示。

图8 不同尺寸异型煤柱时围岩塑性区分布

由图8可知，留设煤柱沿空掘巷时，异型窄煤柱和“T”型煤柱同处于侧向采动剧烈影响区，异型窄煤柱帮虽基本发生塑性破坏，但与“T”型煤柱相比其沿空巷道窄煤柱侧起坡段煤体始终存在部分未发生破坏区域，但当煤柱尺寸增加至7～8m，巷道顶板围岩塑性破坏区域与采空区周围岩体塑性区呈分开趋势。异型煤柱宽度3～5m，煤柱底部剧烈破坏区域较小，且左侧由未发生破坏和已发生破坏但已稳定起坡段煤体组成，限制了窄煤柱破坏区域向深部发展，巷道两侧煤帮塑性区分布的非对称性大大降低，两帮塑性区分布较为对称。留设6～8m异型窄煤柱，煤柱中部应力集中程度增大，起坡段煤体未发生破坏区域随着煤柱尺寸的增加呈现减小的趋势，窄煤柱破坏范围逐渐延伸至起坡段煤体内部，但两帮煤体塑性区发育仍具有底部破坏剧烈，中部次之，上部较小的趋势，因此起坡段煤体限制并减弱了围岩塑性区发育效果。但留设异型煤柱沿空掘巷，工作面呈现“锅底”状，起坡段煤体存在一定破坏区和塑性区，因此对工作面设备管理和回收具有一定影响。

4.2 留设异型窄煤柱沿空掘巷围岩垂直应力分布形态

巷道布置方式和窄煤柱留设形式的改变，必然导致围岩应力传递路径发生一定程度的改变，引起应力集中分布区域重新调整。留设3～8m异型煤柱宽度，沿空巷道掘巷后围岩垂直应力区分布云图，如图9所示。

图9 不同尺寸异型煤柱时围岩垂直应力分布(MPa)

错层位异型窄煤柱沿空掘巷实体煤侧应力峰值区域中心与窄煤柱内应力峰值区域中心在同一直线上，沿空掘巷巷道围岩塑性区分布的非对称性大大降低，围岩主应力偏转程度降低。由图9可知，巷道实体煤帮垂直应力峰值为22MPa左右，仍大于窄煤柱帮侧。异型窄煤柱宽度3～5m，巷道两侧煤帮垂直应力峰值分布相同，但窄煤柱帮应力同“T”型窄煤柱相比降低至4～8MPa，无应力集中现象，实体煤帮侧仍为22MPa左右；异型窄煤柱宽度6～8m，窄煤柱侧帮内垂直应力增至为12～18MPa。由此可知留设异型窄煤柱沿空掘巷，窄煤柱侧帮承载中心由原“T”型窄煤柱“中心”位置转移至巷道左肩角处，且异型窄煤柱帮应力总体低于“T”型窄煤柱。

综上所述，当留设窄煤柱宽度较小(3～5m)时，异型窄煤柱相较与“T”型窄煤柱具有“堵漏风、阻变形、能承载”的优越窄煤柱护帮控制效果，同时改变了窄煤柱应力环境，将巷道窄煤柱承载中心由原“T”型窄煤柱“中心”位置转移至巷道左肩角处，使异型窄煤柱帮处于无应力集中的均匀受力态，沿空巷道围岩变形非对称大大降低。结合理论分析和数值模拟结果，异型窄煤柱采空侧合理留设煤柱宽度为5m。

5 结 论

1)常规综放复合顶板工作面留设“T”型窄煤柱沿空掘巷，不能有效改善综放复合顶板沿空巷道围岩应力环境，窄煤柱内应力分布呈现显著的中央大边缘小的差异性分布、窄煤柱帮处于不均衡承载状态，自身宽高比小、稳定性差，受采掘扰动处于残余承载状态，仍是沿空巷道围岩控制薄弱环节，两帮围岩塑性区呈非对称分布，顶板围岩破坏深度大。

2)采用错层位外错式留设异型窄煤柱沿空掘巷(3～5m)时，改变了窄煤柱应力环境，沿空巷道窄煤柱帮承载中心由原“T”型窄煤柱“中心”位置转移至巷道左肩角处，使异型窄煤柱帮处于无应力集中的均匀受力状态，沿空巷道围岩变形非对称大大降低。结合理论分析和数值模拟结果确定异型窄煤柱采空侧留设宽度为5m。

3)错层位外错式异型窄煤柱相比传统“T”型煤柱拥有更大的宽高比，自身稳定性更强；有效隔离采空区，防止煤柱内部裂隙发育，沟通采空区；起坡段煤体可提供的侧水平约束力可防止窄煤柱向采空区垮落，同时与锚杆支护结构施加的侧向约束力，使窄煤柱处于三向应力状态，维护窄煤柱的稳定。