墩柱加柔膜式沿空留巷护巷墩柱合理参数研究

撖书一

（潞安化工集团王庄煤矿，山西 长治 046031）

采用墩柱加柔膜式沿空留巷技术时，在巷旁柔膜充填体还未能有效承载前，墩柱起到支撑上覆围岩与隔离采空区的作用［1］。因此，墩柱在柔膜未能承载前对保障沿空留巷巷道的安全起到至关重要的作用。王庄煤矿91-209工作面采用数值模拟和理论分析的方法对巷旁墩柱的合理参数进行了研究。

1 工程背景

王庄煤矿91-209工作面回采3#煤，煤层埋深524～554 m，煤层平均厚度为7.37 m。91-209工作面北为91-208设计工作面，南为二岗山断层，西为实体煤，东接540皮带巷。工作面运输顺槽全长2 493 m；回风顺槽作为91-102工作面的一条顺槽全长2 612 m（采用沿空留巷复用），均沿3#煤层底板掘进。91-209工作面风顺槽断面为矩形，巷道净宽5 500 mm，煤帮净高3 600 mm，巷道断面净面积为19.8 m2。沿空留巷方式采用墩柱加柔膜式沿空留巷，为保障巷道安全性，提升经济效益，需根据91-209工作面巷道实际情况研究并选取合理的墩柱参数。

2 巷旁墩柱参数数值模拟研究

2.1 巷旁护巷墩柱参数研究方法

（1）研究方法

综放工作面沿空留巷不仅受超前采动支承压力的影响，也受工作面侧向顶板支承压力的影响，沿空留巷围岩变形伴随着应力、位移等的演化，其围岩应力的变化情况是复杂动态且呈三维变化，现场监测困难，误差较大。因此，利用FLAC3D三维有限差分数值模拟软件进行模拟，监测沿空留巷围岩位移、应力的演化规律。FLAC3D通过将研究对象进行分单元和网格化表示，能够对岩土工程材料的相关力学应变进行求解，从而按照相应的应力-应变关系分析其所产生的力学响应。该方法是目前常用的岩土工程模拟软件［2］。

（2）模型建立

建立工作面及其两道数值计算模型，模型尺寸为长×宽×高=205 m×128 m×46 m，整个模型有352 800个单元和369 984个节点，模型里混凝土采用莫尔-库伦屈服准则，钢管采用应变软化模型，变形模式为大变形，上覆载荷q计算如式（1）［3］。

式中：γ为上覆载荷层平均容重；25 kN/m3；H为上覆载荷层厚度，400 m。带入计算得上覆载荷q=10 MPa。模型四周为滑移边界，底部为固定边界，顶部加载模拟上覆岩层重量。

观测不同参数巷旁墩柱的位移、应力的情况，选取合理的巷旁墩柱参数。以相邻工作面沿空留巷护巷墩柱尺寸为参照，先以间距2.0 m为基础，对直径分别为1.0 m、1.2 m和1.4 m的墩柱应力进行研究，再在最优直径的基础上，研究间距在2.0～3.0 m时护巷墩柱的应力情况。

2.2 墩柱直径研究

（1）1.0 m直径墩柱

工作面每隔4个护巷墩柱开挖一次并计算至平衡，取墩柱应力稳定阶段的应力云图进行分析。不同直径巷旁支护墩柱应力云图如图1所示。

图1 不同直径巷旁支护墩柱应力云图

由图1可知，工作面推进至120～140 m的范围内，采用直径为1.0 m的墩柱后，墩柱垂直应力稳定在36 MPa不再增加，巷道整体处于稳定阶段。采用直径为1.2 m的墩柱时，巷道受采动影响减小，在巷内支护、墩柱以及采空区矸石共同承担作用下，墩柱垂直应力稳定在34 MPa不再增加，巷道整体处于稳定阶段。采用直径为1.4 m的墩柱时，墩柱垂直应力稳定在31 MPa不再增加，巷道整体处于稳定阶段，同时可以看出继续增大墩柱尺寸后，可以进一步减小墩柱应力。

综上所述，增加墩柱尺寸虽可以减小垂直应力，但墩柱尺寸的增加也将造成施工的不便以及资源的浪费，因此在考虑经济效应以及安全适用性的情况，1.2 m直径为巷旁护巷墩柱的最优尺寸［4］。

2.3 墩柱间距研究

以护巷墩柱最优直径1.2 m为基础，分析护巷墩柱间距在2.0～3.0 m情况下，巷旁护巷墩柱支护阻力变化规律。不同墩柱间距巷道围岩应力分布如图2所示。

图2 不同墩柱间距巷道围岩应力分布

由图4可知，墩柱间距从2.0 m增加至3.0 m过程中，顶板屈服点数量明显增加，顶板塑性区发育深度增大。从应力云图来看，随着墩柱间距的增加，顶板塑性区发育深度增加。从塑性区分布来看，间距在2.6 m以下，塑性区范围较小，可有效保证巷道安全。因此，护巷墩柱间距宜控制在2.4～2.6 m之间。

3 应用效果检验

3.1 数值模拟检验

从安全及经济的方面考虑，91-209工作面沿空留巷钢管混凝土墩柱间距取2.4 m，墩柱直径取1.2 m。在该种情况下，对超前支护段、留巷段、留巷稳定段顶板的垂直及水平方向的应力进行分析，模拟结果如图3、图4所示。

图3 垂直应力云图

由图3可知，随着工作面推进，实体煤帮侧向支承应力相对于工作面一侧较大，工作面前方10 m位置处支承应力达到峰值，支承应力峰值约为27.8 MPa，应力集中系数约为1.58。工作面前方巷道直接顶垂直应力较低，随着工作面的推进，工作面后方巷道直接顶应力逐渐增加，至留巷稳定段时，竖向垂直应力最大约为0.6 MPa。顶板岩层岩性为中粒砂岩，由岩样力学试验结果可知，顶板岩层抗拉强度为3.7 MPa，抗压强度为32 MPa，在当前的支护方案下，巷道顶板较稳定。

图4 水平应力云图

由图4可知，随着工作面推进，应力向煤体深部转移，应力增高区位于煤体深部3 m范围内，且迎头距离越远的应力峰值越大。这也相当于应力重新分配过程随着时间的延长，应力峰值逐渐增加的过程。在工作面后方留巷稳定段范围内，随着巷道支承压力逐渐减小减弱，到煤体深部一定距离处转入原岩应力状态，即原岩应力区，处于原岩应力状态的巷道围岩处于稳定阶段，巷道稳定安全［5］。

3.2 现场实测

采用直径1.2 m，间距2.4 m的巷旁护巷墩柱后，为验证护巷墩柱的应用效果，在91-209工作面后方留巷段内每隔30 m布设1个表面位移测站（共3个测站），监测沿空留巷巷道顶底板及两帮移近量，取3#测站数据进行分析如表1所示。

表1 3#测站顶底板及两帮移近量统计

由表1可知，巷道顶底板及两帮移近量在前15 d时变形速率最大，在25 d以后，顶底板及两帮移近量逐渐稳定，顶底板最大移近量为274 mm，两帮最大移近量为182 mm，巷道围岩变形稳定，巷道最大断面收敛量为9.1%（＜10%），巷道围岩变形控制在合理范围内。

4 结论

1）91-209工作面沿空留巷巷旁护巷墩柱的最优间距在2.4～2.6 m之间，墩柱的最优直径为1.2 m。

2）综合考虑经济效益以及安全适用性等情况，91-209工作面回风顺槽沿空留巷巷旁护巷墩柱间距取2.4 m、直径取1.2 m。

3）采用合理的护巷墩柱设计方案后，数值模拟显示沿空留巷巷道较稳定安全，现场监测发现顶底板最大移近量为274 mm，巷道围岩变形稳定。