大煤柱

图3 大煤柱内沿空掘巷三维数值模型图 Fig.3 Three-dimensional numerical model of roadway driving along next goaf in large pillar

3 窄煤柱宽度的确定

3.1 窄煤柱宽度的极限平衡理论计算

该矿E1305工作面采空区边缘基本顶岩层形成稳定的“大结构”，使采空区边缘的煤体存在应力降低区、应力升高区、应力波动区和原岩应力区，为减小E1303瓦排巷围岩应力，保证巷道安全，应将巷道布置在采空区边缘煤壁里侧的应力降低区

[1,9]

。E1303瓦排巷窄煤柱宽度应尽可能小，以降低

支承应力对其的影响，使其处于应力降低区，同时还应保证锚杆锚固稳定，并综合考虑巷道变形及减少煤炭资源损失。所以，窄煤柱合理宽度B应结合巷道两帮应力分布和极限平衡理论计算得出，如式(1)，具体如图4所示[1-2,9]。

B?X1?X2?X3 (1)

图5 采空区侧向支承应力三维数值模型图 Fig.5 Three-dimensional numerical model of stress of the

section of the lateral support goaf

图4 窄煤柱宽度计算图

Fig.4 Calculation figure of narrow pillar width

垂直应力/MPa

式中：B为煤柱宽度，m；X1为工作面开采后在采空侧煤体中产生的塑性区宽度，m；X3为锚杆有效长度，取1.2 m；X2为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定系数，按(X1?X3)?(30%~50%)计算。

X1按式(2)计算：

图6 E1305工作面回采后煤层上方的垂直应力分布规律

Fig.6 Stress distribution laws of above coal seam

after mining of E1305 workface

由图6分析可知，当E1305工作面回采完毕，开采打破原岩平衡，在采空区边缘形成应力集中，由于E1303回风巷(也即E1305辅运巷)在E1305工

258

采矿与安全工程学报 第31卷

z / MPa

作面回采以前就已经存在，使E1305采空区侧向支承应力分布带具有如下4区：应力降低区、应力升高区、应力波动区和原岩应力区。

具体分布规律如下：垂直应力在煤岩体内的最大应力集中系数可达到4.3左右，垂直应力总体表现为先增大后减小的趋势。距侧向煤壁0~1.0 m范围内，垂直应力由17.8 MPa降低到9.4 MPa，这是由于E1305运输巷巷高3.5 m，在E1305回采过程中巷道顶部的煤层没有完全垮落，造成局部煤体在采空区侧向煤壁处形成应力集中；距侧向煤壁1.0~8.0 m范围内，垂直应力由9.4 MPa迅速升高到43.9 MPa，其应力升高速度急而快，但当煤柱宽度为5 m时，支承应力有个短暂的减缓；距侧向煤壁8.0~42.5 m范围内，垂直应力由43.9 MPa持续降低到12.3 MPa；距侧向煤壁42.5~52.5 m范围内，垂直应力由12.3 MPa迅速降低到7.9 MPa，这是由于E1303回风巷的卸压作用使巷道周围的围岩应力降低；距侧向煤壁52.5~62.5 m范围内，垂直应力由7.9 MPa升高到11.4 MPa；当距侧向煤壁距离大于62.5 m时，垂直应力恢复到原岩应力状态，其值为11.4 MPa。

综述，采空区侧向应力分布具有如下规律：距采空区侧向煤壁0~5 m范围内为应力降低区，距采空区侧向煤壁5~42.5 m范围内为应力升高区，距采空区侧向煤壁42.5~62.5 m范围内为应力波动区，距采空区侧向煤壁距离大于62.5 m的范围称为原岩应力区；垂直应力总体表现为先增大后减小的趋势。据此认为在距采空区侧向煤壁5.0 m左右时，其应力较低，因此窄煤柱的合理宽度确定为5.0 m。 3.2.2 煤柱应力分布与煤柱宽度的关系

本文在既定大煤柱宽度为50 m的情况下确定研究方案，详见表2。

表2 护巷煤柱宽度方案

Table 2 Program of the chain pillar width

方案 煤柱宽度/m

方案 煤柱宽度/m

一

二

三

四

五

六

七

八15

九20

542 m;30 m;

1041 m;15

2025煤柱宽度/m40 m;39 m;3037 m;355 m;

403 m

45

图7 回采期间不同煤柱宽度下煤柱内的应力分布曲线

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

重新分布，窄煤柱宽度对窄煤柱内的垂直应力影响较大，窄煤柱宽度较小时，其垂直应力分布呈单驼峰、甚至半驼峰形状，且其应力值较小，窄煤柱宽度较大时，其垂直应力分布呈双驼峰形状，且其应力值较大。煤柱宽度为3 m时，窄煤柱靠上区段采空区侧垂直应力达到3 m煤柱内应力的最大值，其值为14.3 MPa，是其巷道侧应力值(其值为4.7 MPa)的3.1倍，这是由于上区段运输巷顶部煤层在回采过程中没有完全垮落，造成局部煤体在采空区侧向煤壁处形成的应力集中现象所致；煤柱宽度由3 m增加到5 m时，其峰值应力由14.3 MPa增加到19.8 MPa，仅增大1.3倍；煤柱宽度由5 m增加到15 m时，其峰值应力由19.8 MPa增加到47.5 MPa，增大2.4倍，此时峰值应力为不同煤柱宽度时的最大值；煤柱宽度由15 m增加到30 m时，其峰值应力由47.5 MPa减小到40.2 MPa，且此区间范围内的煤柱形成大致呈“正梯形”的应力分布；煤柱宽度由30 m增加到42 m时，其峰值应力由40.2 MPa增加到47.0 MPa，此区间范围内的煤柱呈现双驼峰形状的应力分布，且其前驼峰峰值小于后驼峰峰值。由此可知，大煤柱内沿空掘巷窄煤柱宽度为3~5 m时，煤柱内的应力较小，且其峰值应力也较小；为5~15 m时，其煤柱内应力及其峰值应力都在上升；为15~30 m时，整个煤柱内都积聚着高应力；为30~42 m时，在沿空掘巷的窄煤柱侧积聚着更高的应力环境。因此，要保证大煤柱内沿空掘巷窄煤

3 4 5 6 8 10 12十

十一

十二 35

十三 40

十四 42

25 30

不同护巷煤柱宽度在E1303工作面回采后窄煤柱和宽煤柱内的围岩应力分布，如图7所示。

由图7分析知，煤柱内应力分布具有如下规律： 1) 窄煤柱内围岩应力分布规律：工作面回采后，大煤柱内沿空掘巷窄煤柱内的垂直应力再一次

第2期

张科学等：大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定

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柱内的垂直应力处于低应力水平，窄煤柱的合理宽 度确定约为 5 m。 2) 宽煤柱内围岩应力分布规律：工作面回采 后，大煤柱内沿空掘巷宽煤柱内的垂直应力再一次 重新分布，宽煤柱宽度对宽煤柱内的垂直应力影响 也较大，宽煤柱宽度较小时，其垂直应力分布呈单 驼峰形状，或者一个半驼峰形状，但其应力值相对 较大，宽煤柱宽度较大时，其垂直应力分布呈双驼 峰形状， 且其应力值相对较小。 煤柱宽度为 3 m 时， 宽煤柱靠本区段工作面采空区侧垂直应力达到 3 m 煤柱内应力的最大值，其值为 18.7 MPa，是其巷道 侧应力值(其值为 0.11 MPa)的 170 倍，这是由于本 区段工作面回采形成的采动应力影响所致；煤柱宽 度由 3 m 增加到 5 m 时，其峰值应力由 18.7 MPa 增大到 30.4 MPa，增大 1.6 倍，而同等条件下窄煤 柱峰值应力增大倍数仅为 1.3 倍，且宽煤柱宽度为 5 m 时煤柱内的最大应力值是窄煤柱宽度的 1.5 倍； 煤柱宽度由 5 m 增加到 15 m 时， 其峰值应力由 30.7 MPa 增加到 45.6 MPa，增大倍数为 1.5，此时峰值 应力为不同煤柱宽度时的最大值； 煤柱宽度由 15 m 增加到 30 m 时， 其峰值应力由 45.6 MPa 减小到 40.9 MPa，且此区间范围内的煤柱形成也大致呈现“正

梯形”的应力分布；煤柱宽度由 30 m 增加到 42 m 时，其峰值应力波动变化不大，且此区间范围内的 煤柱也呈现双驼峰形状的应力分布，且其前驼峰峰 值大于后驼峰峰值。由此可知，大煤柱内沿空掘巷 合理位置应靠近上区段采空区侧；大煤柱内沿空掘 巷宽煤柱宽度为 3~5 m 时，煤柱内的应力相对窄煤 柱宽度为 3~5 m 时较大， 且其峰值应力也相对较大； 为 5~15 m 时，其煤柱内应力及其峰值应力不断上 升；为 15~30 m 时，整个煤柱内存在“正梯形”的 高应力分布；为 40~42 m 时，沿空掘巷的窄煤柱侧 存在较低的应力环境。 综述大煤柱内沿空掘巷窄煤柱围岩应力分布 规律如下：窄煤柱宽度为 3~5 m 时，煤柱内的围岩 应力较小；窄煤柱宽度为 3~15 m 时，其垂直应力 分布呈单驼峰形状；窄煤柱宽度为 15~30 m 时，其 垂直应力分布呈“正梯形”形状；窄煤柱宽度为 30~42 m 时，其垂直应力分布呈双驼峰形状。据此 认为 E1303 瓦排巷窄煤柱的合理宽度确定为 5 m。 3.2.3 巷道围岩应力分布与煤柱宽度的关系 巷道围岩的变形及其破坏，在一定程度上与其 所处的巷道围岩应力密切相关[1]。E1303 瓦排巷巷 道围岩的垂直应力分布如图 8 所示。

Fig.8

图 8 不同煤柱宽度下 E1303 瓦排巷的垂直应力分布 Vertical stress distribution of E1303 tile row roadway of different pillar widths

由图 8 可知，受 E1303 工作面回采影响，不同 煤柱宽度下 E1303 瓦排巷围岩应力分布特征为： 1) 巷道底板围岩应力随煤宽的变化整体上处 于低应力状态，但巷道顶板围岩应力，尤其巷道两 帮围岩应力的不断调整变化，使巷道围岩应力向底 板转移，从而造成表面上看到的巷道底鼓最严重。

2) 随煤宽的增加， 窄煤柱帮围岩应力从无应力 集中到少应力集中，再到部分应力集中，最后到大 范围内应力集中。 3) 随煤宽的增加宽煤柱帮围岩应力圈(相同应 力值组成的曲线圈)分布总体呈现先逐渐减小后增 大的过程；煤柱宽度由 3 m 增至 5 m 时，宽煤柱帮

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采矿与安全工程学报 第31卷

围岩应力圈减小，且形状趋于均匀；煤柱宽度由5 m增至15 m时，宽煤柱帮围岩应力圈明显减小，当煤柱宽度为15 m时，宽煤柱帮没有形成明显的围岩应力圈，说明此区域内的围岩应力较均匀；煤柱宽度由15 m增至20 m时，煤柱帮围岩应力圈从部分应力集中到大范围内应力集中，且此时峰值应力为41.7 MPa。

4) 巷道顶板上的围岩应力分布随煤宽变化规律性不强，但其围岩应力圈具有一定的影响范围。

综述，大煤柱内沿空掘巷两帮的围岩应力分布受煤柱宽度变化的影响最大，巷道顶底板围岩应力受其影响变化不大，使巷道整体围岩处在较好的应力环境中的窄煤柱合理宽度为5 m。 3.2.4 巷道围岩塑性区与煤柱宽度的关系