專題-淺析綜放沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)及其控制

淺析綜放沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)及其控制摘要：沿空掘巷可以在很大程度上減少“兩巷”煤柱損失量，有利于提高采區(qū)采出率，達到充分利用資源的目的。本文主要闡述分析了沿空巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)、圍巖控制原理、煤柱應(yīng)力分布規(guī)律以及窄煤柱寬度的合理留設(shè)等問題。并結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，總結(jié)了在給定條件下不同尺寸煤柱的應(yīng)力分布及變形規(guī)律，得到了較為合理的煤柱寬度值。關(guān)鍵詞：沿空巷道； 三角塊； 應(yīng)力分布； 窄煤柱寬度1緒論1.1問題背景及意義目前我國己經(jīng)成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和能源消費國之一。我國經(jīng)濟正處在快速增長時期，一次能源生產(chǎn)量和消費量均超過世界總量的10%，其中，煤炭生產(chǎn)量和消費量約占世界總量的30%，且我國在一次能源的生產(chǎn)和消費構(gòu)成中，煤炭所占比重約為2/3，經(jīng)預(yù)測到2010年煤炭占60%左右，2050年將占50%以上，因此，能源結(jié)構(gòu)長期以煤為主。煤炭資源從淺部開始開采，隨著淺部資源的日益枯竭，國內(nèi)外都陸續(xù)進入深部資源的開采，煤礦深井開采是世界上大多數(shù)國家主要采煤國家目前和將來要面臨的問題。因此，合理利用淺部資源，避免過早進入深部開采成為我們要解決的問題。而在許多礦井采用傳統(tǒng)寬煤柱護巷方式，煤炭采出率低，這主要是由于護巷煤柱寬度過大而造成的。而有的礦井區(qū)段煤柱的留設(shè)及采場周圍巷道的布置不合理也在很大程度上直接影響到采區(qū)采出率。因此實現(xiàn)回采工作面無煤柱開采或最大限度減少“兩巷”煤損量，對提高采區(qū)采出率具有重要意義。我國煤炭產(chǎn)量的95%以上來自地下開采，回采巷道的掘進與支護是礦山建設(shè)和礦井生產(chǎn)過程中量大、面廣的工程。巷道支護是煤炭開采中一項關(guān)鍵技術(shù)，可靠的支護技術(shù)是實現(xiàn)礦井安全、高效的必備條件。隨著礦井產(chǎn)量和效率不斷提高，要求巷道斷面越來越大、成巷速度越來越快，傳統(tǒng)的巷道設(shè)計方式越來越不能滿足采掘接替的需要。巷道之間保留煤柱，以及巷道與回采工作面之間保留煤拄護巷一直是煤礦中傳統(tǒng)的護巷方法，對提高煤炭資源的采出率極為不利。近三十年來，無煤柱護巷技術(shù)得到迅速發(fā)展，沿空掘巷是我國無煤柱護巷的主要形式，在國內(nèi)外己獲得廣泛應(yīng)用。沿空掘巷技術(shù)對合理開發(fā)地下資源，提高煤炭采出率，延長礦井開采期限具有重要意義，采用沿空掘巷的方法維護回采巷道的必然趨勢，也是支護技術(shù)改革的關(guān)鍵技術(shù)之一。20世紀70年代以來，沿空掘巷技術(shù)得到一定程度的推廣，但其沿空掘巷支護方式大多為架棚支護，架棚支護屬被動式支護，在復(fù)雜困難條件下（大斷面、高應(yīng)力、高瓦斯、易自燃、采空區(qū)涌水量大）沿空掘巷，其巷道還存在難支護、采空區(qū)難以隔離等技術(shù)難題。在沿空掘巷中采用錨桿支護，比在實體煤巷道中采用錨桿支護存在更大困難，主要是：（1）由于沿空側(cè)煤體在礦山壓力作用下變得更加破碎，給巷道的掘進與支護帶來更大困難，采用錨桿支護首先應(yīng)保證巷道在掘進期間的穩(wěn)定；（2）由于沿空掘巷在工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)較實體煤巷道在回采巷道更加劇烈，必須控制巷道在工作面回采動壓影響期間的劇烈變形，保證工作面的正常推進。在我國煤炭產(chǎn)量逐年增加，每年需要掘進大量的回采巷道，隨著開采規(guī)模不斷擴大，沿空掘巷是必然趨勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國的薄及中厚煤層沿空送巷最早可追溯到建國初期，大體上經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展時期：早在20世紀50年代我國已有個別礦井自發(fā)地應(yīng)用沿空掘巷技術(shù)；60年代的初期試驗階段；70年代沿空掘巷技術(shù)有所發(fā)展，并開始礦壓研究，取得了可喜的成果；80年代初期提出了沿空掘巷巷道圍巖變形特征；90年代隨著錨桿支護的大面積應(yīng)用推廣，極大促進了沿空掘巷技術(shù)的發(fā)展。但對煤柱的寬度沒有統(tǒng)一的認識，在許多礦井中，煤柱寬度從1-5 m直至20-30 m不等。國外，如澳、英等國不搞沿空掘巷，他們認為由于相鄰工作面開采的影響，在本工作面頂板中距相鄰工作面采空區(qū)一定范圍內(nèi)產(chǎn)生采動傾斜裂縫，煤巷布置在裂縫中圍巖是非常不穩(wěn)定的，布置煤巷時應(yīng)該躲開這些裂縫。因此，區(qū)段平巷的護巷煤柱尺寸是巷道埋藏深度的1/10，至少應(yīng)當(dāng)在15 m以上。美、德等國的區(qū)段煤層平巷均布置在實體煤中，俄羅斯、烏克蘭的沿空掘巷只采用金屬支架支護。窄煤柱沿空掘巷在我國應(yīng)用較早，窄煤柱護巷最早應(yīng)用于20世紀50年代，國內(nèi)學(xué)者對此作過大量的研究，一般認為留窄煤柱沿空掘巷不僅在掘巷期間圍巖變形劇烈，而且在巷道掘出后仍保持較大速度的持續(xù)變形，但這一結(jié)論是建立在薄及中厚煤層巷道棚式支護基礎(chǔ)上的。特別自90年代以來，隨著支護理論和支護的發(fā)展，我國回采巷道用小煤柱護巷有了前所未有的發(fā)展，在沿空掘巷的機理、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及“支架-圍巖”關(guān)系、合理滯后時間，以及在支承壓力作用下的沿空掘巷等方面進行了一些基礎(chǔ)研究工作。但目前對煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認識，其結(jié)論差別較大，導(dǎo)致某些應(yīng)用窄煤柱維護的巷道支護困難、甚至嚴重制約回采工作面推進。另外隨著錨桿支護技術(shù)的迅速發(fā)展，沿空掘巷支護方式由架棚被動式支護發(fā)展為高預(yù)緊力、高強度的錨桿支護，沿空巷道的圍巖變形規(guī)律及礦壓控制方式有了新的改變，但如何保持回采期間的煤柱穩(wěn)定性以及如何進行超前煤柱加固還有待進行研究。2沿空掘巷上覆巖層穩(wěn)定性分析從圍巖力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境來分析，沿空掘巷是一類特殊的回采巷道。由于上區(qū)段工作面回采，采空區(qū)上覆巖層垮落，基本頂初次來壓形成“O-X”破斷，周期來壓即基本頂周期破斷后的巖塊沿工作面走向方向形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，在工作面端頭破斷形成弧形三角塊。弧形三角塊斷裂在煤壁內(nèi)部、旋轉(zhuǎn)下沉，它的運動狀態(tài)及穩(wěn)定性直接影響下方煤體的應(yīng)力和變形，沿空掘巷在其下方，一般在采空區(qū)上覆巖層基本穩(wěn)定后掘進，即弧形三角塊形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以后掘巷，巷道掘進一般不影響三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；受到下區(qū)段工作面回采超前支承壓力作用，弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運動狀態(tài)必將發(fā)生較大的改變，并通過直接頂作用于沿空掘巷，弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運動狀態(tài)對沿空掘巷的穩(wěn)定性有重要影響?，F(xiàn)場實踐也表明：沿空掘巷在掘進影響階段及掘后穩(wěn)定階段變形較小，受工作面采動影響后，巷道圍巖活動劇烈，加上圍巖松軟破碎，造成工作面回采時巷道變形量很大?；卷?shù)姆€(wěn)定狀況及位態(tài)直接影響沿空掘巷圍巖穩(wěn)定狀況，因而，基本頂破斷后形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了沿空掘巷的上部邊界。通過建立沿空掘巷基本頂三角塊結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對三角塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行力學(xué)分析，揭示基本頂三角塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理及其對沿空掘巷的影響，從理論上研究分析綜放沿空掘巷外部圍巖的穩(wěn)定條件。2.1綜放沿空掘巷的基本特點綜放沿空掘巷是一種特殊類型的回采巷道，采用錨桿支護時，巷道一般沿煤層底板布置在上工作面采空側(cè)變形后處于穩(wěn)定的煤體中，留16m的小煤柱護巷。因此，了解綜放沿空掘巷的工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件是研究該條件下巷道礦壓顯現(xiàn)及進行巷道圍巖控制的基礎(chǔ)。2.1.1巷道圍巖性質(zhì)在放頂煤開采條件下，開采煤層厚度均大于5m，煤體本身因變質(zhì)程度等因素的影響，單軸抗壓強度通常在530MPa之間，煤體裂隙比較發(fā)育。煤層的直接頂巖層通常由碳質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖等強度較低的巖層組成，厚度不大，煤層采出后，直接頂巖層一般隨煤層的采出而及時垮落。而位于直接頂之上的老頂巖層，由厚度較大、強度較高的砂巖、石灰?guī)r等組成，并不隨直接頂?shù)目迓涠皶r垮落，而可能發(fā)生規(guī)則的垮落，巖塊互相鉸接，或者只發(fā)生一些彎曲下沉，由于頂板垮落特點和賦存狀態(tài)比較特殊，將會對綜放沿空掘巷在掘進和經(jīng)受回采時的變形破壞發(fā)生較大的影響。煤層底板中一般緊靠煤層的巖層多由碳質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖或砂質(zhì)頁巖等組成，強度通常較低，這層巖層的厚度及巖性對巷道的穩(wěn)定性及巷道的底臌影響很大。較深部的底板通常強度較高，對巷道的圍巖變形一般不會產(chǎn)生本質(zhì)性的影響。隨著綜放工作面回采的進行，采場上覆巖層發(fā)生大范圍的垮落，引起采場圍巖壓力向周圍煤體轉(zhuǎn)移，使之處于加載狀態(tài)，由于該應(yīng)力集中程度多高于煤體強度，故采空側(cè)煤體在較大范圍內(nèi)發(fā)生位移，甚至破壞，強度進一步降低。當(dāng)采空側(cè)上覆巖體垮落穩(wěn)定后，巷道在變形甚至局部破壞后的煤體中留小煤柱沿煤體底板掘出，巷道的兩幫及頂板均為煤體，其圍巖性質(zhì)與其它類型的回采巷道的圍巖性質(zhì)相比，力學(xué)性質(zhì)很差。在此意義上說，綜放沿空掘巷圍巖為軟弱破碎圍巖，巷道支護尤其困難。2.1.2巷道圍巖力學(xué)環(huán)境綜放沿空掘巷的圍巖力學(xué)環(huán)境與其它類型的回采巷道相比，一般具有以下四個顯著的特點：1）巷道處于應(yīng)力降低區(qū)巷道因沿上工作面采空側(cè)煤體的底板掘進，由于掘巷前采空側(cè)煤體在較大范圍內(nèi)己產(chǎn)生變形或者局部破壞，造成煤體應(yīng)力卸載，當(dāng)采用沿空掘巷時，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，這種力學(xué)環(huán)境對沿空掘巷的穩(wěn)定是有利的。2）掘巷期間圍巖應(yīng)力集中程度小巷道本身在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)掘進，且巷道頂部及兩幫的煤體裂隙發(fā)育程度較原始狀態(tài)更高，已基本呈塑性狀態(tài)，故掘巷過程所引起的圍巖應(yīng)力的再分布相對于其它回采巷道來說，其影響并不是很明顯。也即，綜放沿空掘巷引起的應(yīng)力集中程度不大，對巷道穩(wěn)定性影響較小，這是綜放沿空掘巷圍巖應(yīng)力場的主要特點之一。3）回采期間應(yīng)力集中程度很大綜放沿空掘巷在掘巷影響及穩(wěn)定期內(nèi)，巷道圍巖應(yīng)力較小，巷道變形并不嚴重。但在本工作面回采時，采場上覆巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布并向周圍的煤巖體轉(zhuǎn)移，巷道上覆煤巖體的應(yīng)力產(chǎn)生疊加，導(dǎo)致巷道圍巖結(jié)構(gòu)的外部載荷急劇加大，巷道圍巖變形量很大，一般地，工作面受采動影響時巷道的圍巖變形量是巷道掘進期間的56倍甚至更大。因此，這類巷道在采動影響時的變形量是很難控制的，而采用錨桿支護對維持其穩(wěn)定則具備更有利的條件。4）巷道圍巖松散破碎受到上一區(qū)段工作面采動影響，窄煤柱巷道附近圍巖總體上處于塑性破壞狀態(tài)，巷道圍巖變形量大，支護困難。2.1.3巷道的維護特點從綜放沿空掘巷的維護特點及生產(chǎn)條件來看，它具有以下維護特點：1）服務(wù)年限短與其它回采巷道類似，綜放沿空掘巷的服務(wù)年限較短，一般在2年之內(nèi)，當(dāng)本區(qū)段工作面回采完畢后即報廢，故對其支護要求并不高。2）巷道斷面綜放沿空掘巷采用合理的斷面形狀，一方面可以保持巷道的完整，這對巷道的穩(wěn)定性是極為有利的；另一方面，也可以改善回采工作面端頭的維護、提高斷面利用率。因此，綜放沿空掘巷大多選用矩形或梯形斷面。相應(yīng)地，巷道錨桿支護結(jié)構(gòu)及支護原理也不同于其它類型的回采巷道。3）巷道維護要求綜放沿空掘巷的維護從工程的角度來說，對巷道的要求并不高，巷道圍巖可在不發(fā)生破壞失穩(wěn)和巷道斷面滿足正常生產(chǎn)要求的前提下，允許有較大的變形量。4）巷道的維護原理及技術(shù)與一般的地下巖體工程不同，綜放沿空掘巷圍巖在上覆巖層運動和采動影響下發(fā)生變形破壞，所以其支護原理與支護技術(shù)都是圍繞下述兩個方面展開的：一是上覆巖層運動過程、規(guī)律和采動影響引起圍巖應(yīng)力和變形的變化規(guī)律；二是錨桿支護形成圍巖錨固結(jié)構(gòu)的機理、錨固結(jié)構(gòu)特點、錨固結(jié)構(gòu)承載性能、錨固結(jié)構(gòu)變形破壞特征，以及在此過程中錨桿的作用等。2.2綜放沿空掘巷上覆煤巖體破斷特征2.2.1綜放沿空掘巷老頂破斷的基本規(guī)律綜放工作面自開切眼向前推進一段距離時，首先在懸露老頂?shù)闹醒爰皟蓚€長邊形成平行的斷裂線I1、I2，再在短邊形成斷裂線II，并與斷裂線I1、I2貫通，最后老頂沿斷裂線I和II回轉(zhuǎn)且形成分塊斷裂線III，而形成結(jié)構(gòu)塊1、2。老頂在采空區(qū)中部接觸矸石后，運動較平緩。老頂初次破斷后的平面圖形近似呈橢圓狀，見圖2.l a。圖2.1 老頂破斷的基本形態(tài)隨著工作面的繼續(xù)推進，頂板出現(xiàn)周期性垮落，依次出現(xiàn)斷裂線I2，并繞周邊斷裂線II回轉(zhuǎn)形成周期性頂板垮落，如圖2.1b所示。又形成新的結(jié)構(gòu)塊，即圖2.1b中的1、3結(jié)構(gòu)塊。沿空掘巷的直接頂板除采空區(qū)自然冒落外，必然由于結(jié)構(gòu)塊即2、3結(jié)構(gòu)塊的運動而被迫下沉。因此，結(jié)構(gòu)塊2、3的穩(wěn)定狀況直接影響沿空掘巷的穩(wěn)定狀況。一般來說，窄煤柱很難阻止結(jié)構(gòu)塊3的旋轉(zhuǎn)下沉。當(dāng)老頂破斷下沉?xí)r，窄煤柱進入塑性屈服狀態(tài)，使其適應(yīng)結(jié)構(gòu)塊3的旋轉(zhuǎn)下沉，以減小對窄煤柱的壓力。2.2.2綜放沿空掘巷上覆巖體破斷結(jié)構(gòu)綜放沿空掘巷上覆巖體通過巷道頂煤與巷道發(fā)生作用，當(dāng)上區(qū)段工作面的煤層采出后，上覆巖體的垮落特征、垮落后的賦存狀態(tài)在一定程度上取決于老頂巖層的斷裂特征及其垮落后的賦存狀態(tài)。為此，上區(qū)段工作面的回采造成綜放沿空掘巷上覆巖體的斷裂具有如圖2.2所示的幾個過程。圖2.2 綜放沿空掘巷上覆巖體結(jié)構(gòu) 1）上區(qū)段工作面煤層采出時，工作面端頭一般有兩架支架不放煤，加上原來的巷道寬度，計有7m左右的頂煤不放出，故在工作面支架推過后，這部分煤層因破壞嚴重而在支承壓力和自重的作用下首先垮落?？迓浜蟮馁x存狀態(tài)如圖2.2中的I部分所示。 2）工作面支架推過后，隨著上區(qū)段煤層的采出和靠近采空側(cè)未放煤段煤體的垮落，直接頂巖層隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與其上位的老頂巖層發(fā)生離層。在這個過程中，由于上區(qū)段工作面中部和靠近采空側(cè)煤層的采出程度不同，直接頂?shù)目迓湎鲁烈彩遣煌摹．?dāng)煤層完全采出時（如工作面中部），直接頂一般為不規(guī)則垮落，如圖2.2中的II部分；當(dāng)煤層不是完全采出時（如工作面兩端），直接頂可能是規(guī)則的垮落，如圖2.2中的III部分。 3）老頂巖層在直接頂垮落后，一般在側(cè)向煤體內(nèi)斷裂，并發(fā)生回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，直至在采空側(cè)形成如圖2.2中所示的巖塊A、巖塊B、巖塊C組成的鉸接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與采空區(qū)充滿程度及老頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關(guān)。 4）在老頂巖層垮落過程中，其上覆載荷巖層隨之發(fā)生垮落。據(jù)此，可將綜放沿空掘巷上覆巖體的垮落運動分為兩組：其一是隨煤層的開采而不規(guī)則、或者規(guī)則垮落的直接頂巖層；其二是老頂巖層及其上部載荷巖層垮落后能形成平衡結(jié)構(gòu)的巖層。相應(yīng)地，上覆巖體垮落穩(wěn)定后，綜放沿空掘巷在如圖2.2中IV所示的位置掘進。該巷道與上覆巖體結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系如圖2.3所示，其中綜放沿空掘巷位于關(guān)鍵塊B的下方。對比圖2.2和圖2.3可見，巖體A為本區(qū)段工作面上方的老頂巖層，塊體B為上區(qū)段工作面采空側(cè)的弧三角塊，塊體C為上區(qū)段工作面采場中的斷裂塊。由此可見，塊B對于綜放沿空掘巷上覆巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是很重要的，在此稱之為關(guān)鍵塊。圖2.3 綜放沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系示意圖2.3綜放沿空掘巷圍巖關(guān)鍵塊體力學(xué)模型沿空掘巷一側(cè)為未開采的實體煤、另一側(cè)為上區(qū)段采空區(qū)，上區(qū)段工作面基本頂在實體煤側(cè)為固支邊，端頭基本頂?shù)目迓涮卣鳎涸诠ぷ髅娑祟^部位的破斷線呈弧形，形成弧形三角塊B，見圖2.4 (a)。圖2.4 綜放沿空掘巷三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型根據(jù)基本頂?shù)钠茢?、運動特征，結(jié)合圖2.4 (a)對弧形三角塊結(jié)構(gòu)作如下簡化： 1）基本頂在煤體側(cè)的斷裂線深入煤壁內(nèi)，破斷形成弧形三角塊B后，以煤體之上的斷裂線為軸，向下旋轉(zhuǎn)。 2）一個工作面的周期來壓步距基本相等，即基本頂?shù)钠茢嗵卣骰鞠嗤虼?，將弧形三角塊簡化為等腰三角塊，簡稱三角塊，在煤壁內(nèi)的邊長為工作面的周期來壓步距，另兩邊相等。 3）基本頂之上的軟弱巖層可視為作用于其上的載荷，受到工作面采動影響之前，三角塊B上部的軟弱巖層與其上部硬巖層離層、失去力的傳遞。 4）三角塊B以給定變形作用于下方的直接頂和煤體。 5）三角塊B與實體煤側(cè)的巖體A、采空區(qū)側(cè)的塊體C形成鉸接結(jié)構(gòu)，簡稱為三角塊結(jié)構(gòu)。 6）留窄煤柱沿空掘巷，工作面回采影響階段，在超前支承壓力和側(cè)向支承壓力疊加作用下，A巖塊下方的煤體、直接頂壓縮下沉，C巖塊下方的矸石壓縮下沉，B巖塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉，其穩(wěn)定性及位態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)上述簡化建立沿空掘巷三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，見圖2.4 (b)所示。2.4綜放沿空掘巷上覆巖體穩(wěn)定性分析留窄煤柱沿空掘巷，巷道與基本頂三角塊結(jié)構(gòu)的平面和剖面關(guān)系見圖2.4所示。綜放沿空掘巷遠離基本頂三角塊結(jié)構(gòu)，可以認為基本頂三角塊結(jié)構(gòu)是沿空掘巷的上部邊界，在不同階段，三角塊結(jié)構(gòu)的受力狀況相差較大，它的運動狀態(tài)及穩(wěn)定性是變化和發(fā)展的，使得沿空掘巷的外部力學(xué)環(huán)境更為復(fù)雜，三角塊結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)和穩(wěn)定性通過直接頂、老頂影響巷道穩(wěn)定性?；卷斎菈K結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化過程為：上區(qū)段工作面回采后采空區(qū)上覆巖層冒落而形成該結(jié)構(gòu)、沿空掘巷對該結(jié)構(gòu)擾動、本區(qū)段工作面回采時超前支承壓力對該結(jié)構(gòu)的作用，其穩(wěn)定性是一個從掘巷前的穩(wěn)定狀態(tài)掘巷期間的擾動掘巷后的穩(wěn)定工作面采動影響穩(wěn)定狀態(tài)改變的動態(tài)響應(yīng)過程。其穩(wěn)定狀況主要可分為掘巷前、掘巷后及工作面采動影響三個階段。2.4.1掘巷前上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析綜放沿空掘巷是在上一區(qū)段開采以后，上區(qū)段綜放工作面采空區(qū)冒落殲石穩(wěn)定的條件下進行開掘的。綜放巷道掘進期間上覆巖層結(jié)構(gòu)平面及剖面如圖2.4所示，可以看出，當(dāng)上區(qū)段回采時，隨著工作面的不斷往前推進、在其側(cè)向與下工作面連接處，老頂發(fā)生破斷，形成弧三角形板B，巖塊B的一端回轉(zhuǎn)后在采空區(qū)觸矸，另一端在下區(qū)段的煤壁里面斷裂。巖塊B雖有一定的回轉(zhuǎn)下沉，但它與巖塊C、巖體A互相咬合，形成鉸接結(jié)構(gòu)。 在上覆巖層大結(jié)構(gòu)中對綜放沿空掘巷穩(wěn)定性影響最大的是老頂?shù)幕∪切螇KB，稱為關(guān)鍵巖塊。巖塊B的穩(wěn)定性服從S-R ( Sliding-Rotation )穩(wěn)定性原理。巖塊B在下區(qū)段煤壁里面斷裂的位置，主要取決于頂煤和直接頂?shù)暮穸龋斆?、直接頂、老頂?shù)膸r石力學(xué)性質(zhì)以及老頂和其上載荷層的厚度等因素。當(dāng)頂煤和直接頂厚度在820m時，頂煤和直接頂?shù)膹姸葘儆谥械?，通過應(yīng)用FLAC程序進行數(shù)值分析，老頂在煤壁內(nèi)斷裂的距離一般在28m，興隆莊煤礦和王莊煤礦分別為6和8m。由于老頂在下區(qū)段煤壁內(nèi)斷裂，加以工作面端頭一般有23架支架不放頂煤，因而關(guān)鍵塊B受到下面頂煤和直接頂?shù)挠辛χ?，弧三角形關(guān)鍵塊B同時受到巖體A和兩側(cè)巖塊C的夾持，即關(guān)鍵塊B在其整個周圍均受到相臨巖塊的水平推力作用。通常情況下，巖塊B的穩(wěn)定性是很好的。2.4.2掘巷后上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析由圖2.2和圖2.3中綜放沿空掘巷與基于老頂巖層的上覆巖體結(jié)構(gòu)的剖面關(guān)系和平面關(guān)系可見，巷道在上覆巖體結(jié)構(gòu)下方的煤體中掘進，巷道上方賦存的頂煤和直接頂厚度較大，巷道一般遠離上覆巖體結(jié)構(gòu)；同時，巷道的掘進位置又處于支承壓力相對較小的低應(yīng)力區(qū)中。因此，巷道掘進對其上覆煤巖層的擾動并不會影響到上覆巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，關(guān)鍵塊B的變形及受力特點不變，上覆巖體結(jié)構(gòu)將保持原有的穩(wěn)定狀態(tài)。2.4.3采動影響時上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析綜放沿空掘巷在受到本區(qū)段工作面回采影響時，巷道與上覆巖層的關(guān)系如圖2.5所示。圖2.5 回采時綜放沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系圖2.6 回采時綜放沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)的剖面關(guān)系由圖2.5可見，綜放沿空巷道在本區(qū)段工作面回采時，上覆巖層大結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)將受到強烈影響，其過程可歸結(jié)為：本區(qū)段工作面回采時，采空區(qū)老頂巖層產(chǎn)生新的破斷，長邊破斷線直接與原有關(guān)鍵塊B相接，即新產(chǎn)生的巖塊A與原有弧三角形塊B互相鉸接。老頂巖層破斷后，分別在回轉(zhuǎn)力矩M和M的作用下回轉(zhuǎn)下沉，巖塊A、B均處于運動和不穩(wěn)定狀態(tài)，從而對工作面前方的沿空巷道形成較高的支承壓力，如圖2.6所示。從圖2.7中可知，當(dāng)工作面將要推過巖塊B1時，該塊將會在回轉(zhuǎn)力矩M1的作用下向工作面后方回轉(zhuǎn)下沉，并影響到其相臨巖塊B2的穩(wěn)定，支承壓力在塊B2上急劇上升，同時也產(chǎn)生向工作面后方回轉(zhuǎn)的力矩M2，在此過程中，造成該塊下方的巷道圍巖劇烈變形。圖2.7 回采時關(guān)鍵塊體狀態(tài)變化對巷道圍巖變形影響關(guān)系同樣，塊體B2的運動將會對塊體B3產(chǎn)生影響，但其影響程度遠小于塊B1對塊B2的影響。相應(yīng)地，塊體B3原有穩(wěn)定狀態(tài)的變化將造成該塊下方巷道圍巖的較大變形，但其變形程度明顯小于塊體B2下方的巷道圍巖變形；依此類推，由于巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)中各塊體間的相互影響，導(dǎo)致巷道在超前工作面一定范圍內(nèi)圍巖的變形隨著與工作面距離的接近而呈逐步增大的趨勢。同時，巖塊A對B的影響也有與此類似的情況。3沿空掘巷圍巖控制原理3.1沿空掘巷的圍巖變形破壞特征根據(jù)國內(nèi)有關(guān)沿空窄煤柱巷道的應(yīng)用研究，沿空掘巷窄煤柱巷道圍巖變形有以下特點：1）對于中等穩(wěn)定圍巖的綜放沿空窄煤柱巷道，超前90m左右就出現(xiàn)采動影響，明顯變形出現(xiàn)在工作面前方35m左右，分別比實體煤巷道增加近20m，巷道劇烈變形在工作面前方010m，綜放面沿空巷道頂?shù)装逡平勘葘嶓w煤巷道增加510倍，兩幫相對移近量增大10倍以上?；夭捎绊懫陂g巷道圍巖移近量與掘進影響期間相比較，沿空巷道前者是后者的510倍，實體煤巷道前者是后者的1.21.5倍，實體煤巷道的頂、底板及兩幫變形大體相近，而沿空巷道兩幫移近量大于頂?shù)装逡平浚罢呤呛笳叩?倍左右。2）由于受多次采動影響，巷道圍巖變形量大，并且兩幫變形量大于頂?shù)装逡平浚瑒傂灾ёo比較困難，一般情況下，以護為主，以支為輔。3）由于受多次采動影響和移動性支承壓力的作用，巷道礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)出一定的周期性，工作面每推進一段距離，巷道就出現(xiàn)一次劇烈變形，這與工作面頂板來壓規(guī)律比較相似。4）在掘進期間，巷道變形量沿空側(cè)大于實體煤側(cè)，而在回采期間，巷道變形量是沿空側(cè)小于實體煤側(cè)。5）綜放沿空巷道在多次采動影響和上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用下，圍巖破碎松散、受力環(huán)境復(fù)雜、應(yīng)力分布不均勻、圍巖成分特殊、兩幫和頂板均為煤體，變形量大且不均衡，巷道支護和維護困難，返修率高，因此綜放沿空巷道一般被認為軟巖巷道。沿空煤巷錨固體結(jié)構(gòu)由頂板、底板、實體煤幫和煤柱幫錨固區(qū)組成一個有機整體，其變形和破壞是各組成部分相互作用、相互影響的綜合結(jié)果。由于小煤柱受上區(qū)段工作面回采影響很大，煤體的破壞程度較高，當(dāng)它發(fā)生變形破壞時，將使巷道頂板的承載基礎(chǔ)作用降低，進而導(dǎo)致頂板向煤柱側(cè)采空區(qū)旋轉(zhuǎn)、向巷道內(nèi)移近和向下沉降，從而造成巷道錨固體結(jié)構(gòu)的變形破壞，即為小煤柱誘導(dǎo)型破壞。而實體煤幫的應(yīng)力集中程度是最大，回采時常常因過大的垂直應(yīng)力而向巷道內(nèi)強烈位移和顯著下沉，其過大的移近量將使頂板下沉而垮落，從而導(dǎo)致巷道變形破壞。3.2沿空掘巷窄煤柱巷道錨桿與圍巖相互作用機理根據(jù)以往的研究結(jié)果，錨桿支護對破碎煤巖體的錨固機理主要有3個方面，一是提高錨固體的峰值強度和殘余強度，提高錨固體峰值前、峰值后的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角；二是通過錨桿的軸向力作用使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，同時通過錨桿的橫向作用，阻止圍巖沿裂隙等弱面發(fā)生相對滑動，提高弱面的抗剪能力，達到提高錨固體殘余強度的目的；三是通過錨桿的錨固作用，在保持較大殘余強度的同時，錨固體有控制地發(fā)生較大變形，釋放圍巖變形能，降低錨固體的壓力，使錨固體適應(yīng)綜放沿空掘巷圍巖大變形特點。3.3沿空掘巷窄煤柱巷道支護原理1）高強度錨桿支護強化巷道圍巖強度沿空窄煤柱巷道頂板和兩幫均為松散、破碎的煤體，錨桿的作用是對其錨固范圍內(nèi)的煤體提供軸向和徑向約束，軸向約束來自錨桿的軸向力，通過護表構(gòu)件、桿體與孔壁間的作用力對巷道圍巖施加圍壓，將圍巖由單向雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙向三向受力狀態(tài)；徑向約束主要表現(xiàn)為錨桿桿體和錨固劑所提供的抗剪能力，它增加了節(jié)理面間的摩擦力，限制了節(jié)理面的相對錯動，改善了圍巖弱面的力學(xué)性質(zhì)，尤其高強度錨桿支護能夠使錨固體達到極限強度后的殘余內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力以及錨桿支護阻力大大提高，特別是支護阻力的提高能顯著提高沿空巷道圍巖的殘余強度和承載能力。通過預(yù)應(yīng)力的作用，錨桿與其錨固范圍內(nèi)的煤體形成具有一定承載能力、可適應(yīng)圍巖變形的錨固平衡拱，從而提高了圍巖整體性和穩(wěn)定性。2）保持窄煤柱穩(wěn)定是控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵由沿空巷道圍巖應(yīng)力分布可知，由于窄煤柱受過上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，強度低，承載能力小，在本工作面的采動影響下，發(fā)生變形破壞，將支承壓力大部分轉(zhuǎn)移到實體煤幫，使得實體煤幫的變形急劇增大，圍巖難以控制，因此提高窄煤柱的穩(wěn)定是控制沿空巷道圍巖的關(guān)鍵。要保持窄煤柱穩(wěn)定就必須提高煤柱的承載能力，而煤柱的承載能力與支護阻力、圍巖力學(xué)參數(shù)等有關(guān)，當(dāng)采用高強度錨桿支護時，能提高圍巖的力學(xué)參數(shù)，顯著提高其承載能力。3）高阻讓壓支護控制圍巖變形沿空巷道兩幫、頂板均為強度較低的煤體，雖然高強度錨桿支護提高了圍巖的強度，但在超前支承壓力的作用下，圍巖產(chǎn)生大的變形是難以避免的。另外，由于沿空巷道服務(wù)時間相對較短，對巷道斷面尺寸要求相對較低，允許圍巖產(chǎn)生較大變形，因此，沿空巷道的支護要求是在具有較高阻力的同時必須具有較大的變形性能，使圍巖的變形能量得到釋放而讓壓，防止支護在高支承壓力作用下被破壞，導(dǎo)致圍巖變形無控制而失穩(wěn)。高強度螺紋鋼錨桿延伸率大，能較好地適應(yīng)沿空巷道圍巖大變形。4）應(yīng)用加強支護小孔徑錨索防止錨固區(qū)外圍巖離層和塑性區(qū)的擴展由于沿空巷道圍巖松散破碎，塑性區(qū)范圍大，錨固區(qū)外煤體發(fā)生較大離層，因此要采用小孔徑錨索加強支護。錨索支護的原理和錨桿相似，其主要作用是將下部不穩(wěn)定巖層吊到上部穩(wěn)定巖層中，更可靠地保證了頂板和兩幫的穩(wěn)定。4沿空掘巷窄煤柱力學(xué)狀態(tài)及其穩(wěn)定性4.1沿空掘巷窄煤柱的基本特征如圖4.1所示，沿空掘巷窄煤柱是在上區(qū)段工作面回采后，在采空區(qū)冒落矸石穩(wěn)定的條件下靠近采空區(qū)一側(cè)為沿空掘巷所留設(shè)的護巷煤柱，按照傳統(tǒng)護巷煤柱寬度的概念，位于沿空掘巷與右側(cè)采空區(qū)之間，寬度37m的煤柱稱窄煤柱，而位于下區(qū)段工作面巷道與右側(cè)上區(qū)段工作面采空區(qū)之間，寬度2030m的煤柱稱為寬煤柱。圖4.1 綜放面沿空掘巷窄煤柱示意圖綜放工作面采放以后，在其相鄰的煤體（柱）上和一定范圍的冒落區(qū)內(nèi)將形成增壓區(qū)、減壓區(qū)、免壓區(qū)。如圖4.1所示，當(dāng)右邊工作面采放后，由于煤層采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤難以充滿采空區(qū)，老頂下沉并在采空區(qū)邊緣發(fā)生斷裂，煤體上的頂板彎曲并以一定角度向采空區(qū)傾斜，側(cè)向支承壓力向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移。在頂板彎曲下沉、支承壓力轉(zhuǎn)移過程中，邊緣煤體被破壞，形成一定厚度的破碎區(qū)，同時，在煤體邊緣一定范圍（一般07m）內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)，為沿空掘巷及窄煤柱護巷創(chuàng)造了有利條件。由于巷道掘出后在圍巖內(nèi)形成破碎區(qū)，此時，煤柱兩側(cè)均存在破碎區(qū)，承載能力較小，而左邊工作面采放時，形成超前支承壓力，在超前支承壓力的作用下煤柱進一步壓縮破碎，使頂板再一次發(fā)生斷裂，巷道壓力及變形量急劇增加。因而綜放工作面沿空掘進的巷道在受到工作面超前支承壓力作用前維護較容易，受到超前采動支承壓力作用時維護困難。 1）綜放沿空掘巷窄煤柱位于應(yīng)力降低區(qū)，有利于沿空掘巷的維護； 2）留窄煤柱沿空掘巷，擾動了側(cè)向支承壓力分布，不僅在掘進期間巷道強烈變形，而且在掘后穩(wěn)定期間仍保持較大的變形速度； 3）窄煤柱裂隙發(fā)育、甚至破碎，自身難以保持穩(wěn)定，而且，其支撐作用小，增加了巷道跨度和懸頂距，沿空掘巷維護困難； 4）對煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認識，其結(jié)論差別較大，從15m到1525m不等； 5）在深井厚煤層綜放條件下，通過加強錨桿支護系統(tǒng)在沿空掘巷中的應(yīng)用，可以很大程度上改善窄煤柱護巷的各種問題，保持煤柱和沿空巷道的穩(wěn)定性。4.2沿空煤體邊緣力學(xué)狀態(tài)分析4.2.1沿空煤體邊緣應(yīng)力分布通過現(xiàn)場實測、理論及試驗研究表明，采空區(qū)邊緣煤體的應(yīng)力分布和變形與破壞狀態(tài)具有一定規(guī)律。煤體邊緣的力學(xué)狀態(tài)可以分為以下幾個區(qū)：（I）卸載松散區(qū)：位于煤體邊緣，煤體連續(xù)性遭到很大程度的破壞，裂隙及其發(fā)育呈碎裂狀，變形加劇，承載能力下降，在全壓力應(yīng)變過程中處于峰后末端；在此區(qū)的巷道受到一定程度的變形壓力的影響。（II）塑性強化區(qū)：位于卸載區(qū)和支撐壓力峰值位置之間，煤體己經(jīng)進入塑性變形和破壞階段，在較高的圍壓作用下仍保持其連續(xù)性，且有一定的承載能力，在此范圍內(nèi)的巷道受較大的支撐壓力和煤體變形壓力的影響。（III）彈性變形區(qū)：位于煤體邊緣支撐壓力峰值區(qū)過度到原始應(yīng)力區(qū)，煤體有較高的應(yīng)力，煤體保持彈性變形狀態(tài)；此范圍煤體有較高的承載能力；此區(qū)內(nèi)的巷道變形量較小。（IV）原始應(yīng)力區(qū)：距煤體邊緣較遠，煤體的應(yīng)力和變形基本不受采空區(qū)的影響。圖4.2 傾斜煤層邊緣力學(xué)狀態(tài)分區(qū)4.2.2采空區(qū)邊緣煤體垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力特點綜放開采引起的沿煤層傾斜方向的垂直和水平應(yīng)力峰值作用位置不耦合，最大垂直應(yīng)力距煤體邊緣約10m，最大水平應(yīng)力距煤體邊緣約15m（圖4.3）。因此，在不同煤柱寬度處的沿空巷道所受的圍巖壓力作用機理有所不同，垂直應(yīng)力峰值附近巷道易造成頂板和煤幫變形加劇，水平應(yīng)力峰值附近則可能引起底臌。在對沿空煤體的傳統(tǒng)研究中，一般強調(diào)垂直應(yīng)力峰值的作用位置，盡量避免巷道處于垂直應(yīng)力峰值區(qū)，而忽略了水平應(yīng)力峰值的影響。錨網(wǎng)支護沿空留巷對水平應(yīng)力抵抗較弱，因此應(yīng)注意選擇煤柱寬度和巷道位置，避免巷道處于水平應(yīng)力峰值區(qū)，否則可能引起嚴重底臌。圖4.3 采空區(qū)邊緣煤層水平和垂直應(yīng)力曲線4.3沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分析及變形破壞機理4.3.1沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布煤體開挖形成煤柱以后，上覆巖層施加的壓力將重新分布，煤柱一定深度內(nèi)形成支承壓力帶。由于支承壓力的作用和開采擾動等因素的影響，煤壁一定深度的煤巖已破壞。一般認為，煤柱邊界處支撐壓力為零，隨著向煤柱內(nèi)部深度的增加，支承壓力逐漸增大，直至達到峰值。A.H威爾遜通過對煤柱加載試驗也發(fā)現(xiàn)，在加載過程中煤柱的應(yīng)力是變化的，如圖4.4所示，從煤柱應(yīng)力峰值到煤柱邊界這一區(qū)段，煤體應(yīng)力已超過了屈服點，并向采空區(qū)有一定量的流動，從煤柱邊界至支承壓力峰值這個區(qū)域稱為煤柱的屈服區(qū)（或稱塑性區(qū)），其寬度用表示。屈服區(qū)向里的煤體變形較小，應(yīng)力沒有超過屈服點，大體符合彈性法則，這個區(qū)域被屈服區(qū)所包圍，并受屈服區(qū)的約束，處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，稱為煤柱核區(qū)（或稱彈性核區(qū)）。綜放開采沿空掘巷條件下的護巷窄煤柱不同于上述煤柱的特點，窄煤柱一側(cè)為采空區(qū)而另一側(cè)為沿空掘巷巷道，如圖4.5所示。圖4.4 煤柱應(yīng)力分布圖4.5 窄煤柱應(yīng)力分布4.3.2沿空掘巷窄煤柱力學(xué)分析通過沿空煤體邊緣應(yīng)力的分析，可以得出沿空掘巷未開掘時的煤柱應(yīng)力狀態(tài)，即沿空煤體處于屈服區(qū)的部分應(yīng)力狀態(tài)?？傮w來說沿空掘巷窄煤柱處于邊緣煤體支承壓力降低區(qū)，同時位于沿空煤體的應(yīng)力屈服區(qū)，在沿空巷道開掘后，窄煤柱受到沿空掘巷的擾動，應(yīng)力狀態(tài)在處于應(yīng)力降低區(qū)和屈服區(qū)的前提下將重新分布。在沿空掘巷的同時采用錨桿支護系統(tǒng)加強支護，可以改善窄煤柱的變形與破壞，維持窄煤柱的穩(wěn)定性。4.4沿空掘巷窄煤柱寬度的合理確定根據(jù)沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)的基本要求，確定窄煤柱寬度一般有以下三種方法。1）理論計算法這種方法主要是通過計算模型的建立和簡化（如圖4.6），在考慮提高錨桿錨固力和支護作用的前提下，使煤柱盡可能小，綜合影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，確定合理煤柱寬度B的計算公式為 （4-1）式中為上區(qū)段工作面開采后在采空區(qū)側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，其值按以下公式計算 （4-2）式中：m煤層厚度，m；A側(cè)壓系數(shù)，為泊松比；煤層界面的內(nèi)摩擦角，；C0煤層界面的粘結(jié)力，MPa；k應(yīng)力集中系數(shù)；上覆巖層的平均容重，kN/m3 ；H巷道埋深，m；支架對煤幫的支護阻力，在采空區(qū)側(cè)取值為0；X2幫錨桿有效長度，結(jié)合錨桿支護參數(shù)確定；X3考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度富裕量，一般按(X2 + X3)值的30%50%計算。將巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)和支護參數(shù)代入以上公式，就可以求得沿空掘巷窄煤柱寬度的理論值。圖4.6合理煤柱寬度計算模型2）數(shù)值模擬法通過對不同尺寸的窄煤柱寬度設(shè)計方案進行模擬計算，分析巷道圍巖的表面位移、深部位移和應(yīng)力的分布情況以及塑性區(qū)范圍和錨桿受力狀況，從而獲得沿空窄煤柱寬度的最優(yōu)解。3）工程類比法這是一種煤礦設(shè)計沿空巷道窄煤柱寬度常用的方法，也是一種比較直接、簡便的方法，但是由于巷道工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，各種圍巖力學(xué)參數(shù)的確定難以把握，因此這種方法需要較豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，有時工程類比得出的結(jié)果會與現(xiàn)場實際要求有一定的差異。以上三種沿空窄煤柱寬度的計算方法各有優(yōu)缺點，在實際巷道支護設(shè)計時，往往采用這三種方法相結(jié)合，來確定窄煤柱寬度的合理尺寸。5窄煤柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬模型5.1模擬巷道地質(zhì)概況某礦11101綜放上作而主采煤層為11號煤，煤厚約5m，煤層傾角820，局部20，埋深350m，采用綜采低位放頂煤工藝，采高控制在2.42.6m，放煤高度控制在2.42.6m，采放比約為1:1。煤層頂?shù)装迩闆r描述如下：1）直接頂：泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度約8.4m，深黑色，薄層狀，塊狀構(gòu)造，以泥巖和砂泥巖為主，中間夾一至二層煤和一層細砂巖；2）老頂：石灰?guī)r，厚度約8.6m，深灰色，晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，石灰?guī)r為主，見方解石脈及巖溶，底部含泥巖；3）直接底：灰黑色泥巖，厚度約2.7m，性軟，含星點狀黃鐵礦，中部夾薄煤層；4）老底：砂質(zhì)泥巖，厚度約7.5m，深黑色，薄層狀，水平層理，粉粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以泥巖為主。5.2窄煤柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬模型采用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC，分析不同煤柱寬度情況下巷道圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律及位移場的分布演化規(guī)律。采用莫爾-庫侖屈服準則判斷巖體的破壞以及應(yīng)變軟化模型，反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強度逐步降低的性質(zhì)，建立數(shù)值模擬模型X方向長230m，Y方向長600m，高68m，共有218500個三維單元，230724個節(jié)點（見圖5.1）。模型側(cè)面限制水平移動，模型底而限制垂直移動，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量。煤柱模擬方案見表5.1所示。圖5.1三維數(shù)值計算模型表5.1煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬方案影響因素煤柱寬度/m采動影響水平3，5，6，8，10，15掘進階段回采階段5.3窄煤柱應(yīng)力分布演化規(guī)律5.3.1掘巷期間煤柱應(yīng)力分布數(shù)值計算中，取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力分布演化規(guī)律，圖5.2為掘巷期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布圖。圖5.2掘巷期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布由圖5.2可見，掘進期間綜放工作面沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布有如下特征：1）煤柱寬度對應(yīng)力分布影響較大。煤柱由4m增大到15m時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐步增大，4m時垂直應(yīng)力峰值僅為16.7MPa，15m 時則達到了25.6MPa，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值的增大不利于煤柱的穩(wěn)定。煤柱超過4m后，隨著煤柱寬度的增加，煤柱的穩(wěn)定性逐步降低。由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，3m煤柱的垂直應(yīng)力峰值為18.5MPa，大于4m煤柱時的垂直應(yīng)力峰值，45m煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最小，對煤柱的穩(wěn)定最有利。煤柱達到10m后，垂直應(yīng)力峰值增加不明顯。同時可以看出，隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力呈梯形分布，而煤柱寬度較小時，應(yīng)力呈三角形分布。2）煤柱寬度對煤柱淺部應(yīng)力的影響。煤柱3m時，淺部應(yīng)力較大；煤柱46m時，淺部應(yīng)力較??；煤柱超過6m后，隨著煤柱寬度的增大，淺部應(yīng)力又相應(yīng)地增大。5.3.2回采期間煤柱應(yīng)力分布同分析掘巷期間煤柱應(yīng)力一樣，數(shù)值計算中仍取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力分布演化規(guī)律，圖5.3為回采期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布圖。由圖5.3可見，采動影響階段綜放面沿空掘巷煤柱應(yīng)力分布有以下特征：圖5.3回采期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布1）在回采期間，煤柱最大垂直應(yīng)力隨煤柱寬度增大而增加。煤柱由3m增大到15m時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力由19.8MPa逐漸增大到32.2MPa；在煤柱小于或等于4m時，煤柱峰值應(yīng)力增大，中部承載范圍減小，煤柱穩(wěn)定性較差；當(dāng)煤柱大于5m時，煤柱中部承載范圍較大，但應(yīng)力增大速度也較大；當(dāng)煤柱為5m時，煤柱應(yīng)力增加不明顯，承載能力較高。2）與掘巷期間相比，煤柱較小時，最大垂直應(yīng)力向巷道一側(cè)移動，而隨著煤柱寬度增大，其最大垂直應(yīng)力峰值向采空區(qū)一側(cè)移動。5.4窄煤柱變形機理同分析應(yīng)力場分布規(guī)律一樣，數(shù)值模擬中，取煤柱高度一半的中部層位作為研究對象，研究煤柱內(nèi)位移分布規(guī)律。5.4.1掘巷期間煤柱內(nèi)位移場分布特征掘巷期間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線如圖5.4所示：由圖5.4可見，掘巷期間沿空掘巷煤柱位移具有以下特征：1）煤柱向巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度增大而增加，達到一定寬度后再由大變小，然后趨于穩(wěn)定。2）煤柱向巷道內(nèi)的位移特征。當(dāng)煤柱為3m時