巷道圍巖的變形及其破壞，在一定程度上通過巷道圍巖塑性區(qū)分布予以表現(xiàn)[1]。具體E1303瓦排巷圍巖的塑性區(qū)分布如圖9所示。

化較為復雜，處于各階段的變形破壞都存在，其塑性區(qū)綜合作用范圍為底板下方3 m左右。

3) 巷道窄煤柱幫圍巖變形破壞主要是受剪切破壞引起，窄煤柱幫塑性區(qū)綜合作用范圍為整個煤柱；當煤寬為5 m時，窄煤柱幫的塑性區(qū)有局部調(diào)整，使其圍巖應力有向底板轉移的趨勢，從而釋放窄煤柱承受的高圍巖應力，減小窄煤柱幫變形，而3，4，6 m煤柱都沒有這種變化趨勢；煤柱寬度由10 m增至20 m時，窄煤柱內(nèi)的圍巖塑性區(qū)已不貫通，但其幫部的圍巖變形仍以剪切破壞作用為主。

壞為主；煤柱寬度由15 m增至20 m時，寬煤柱內(nèi)的圍巖變形較為穩(wěn)定，其圍巖應力轉移到了窄煤柱和底板。

據(jù)以上分析可知，煤柱寬度為5 m時，大煤柱內(nèi)沿空掘巷圍巖塑性區(qū)分布較為合理。 3.2.5 巷道圍巖變形與煤柱寬度的關系

在支護強度一定時，巷道圍巖的變形破壞取決于圍巖應力與煤巖體強度的大小，當圍巖應力小于煤巖體強度時，巷道仍處于彈性狀態(tài)；當圍巖應力大于煤巖體強度時，巷道就會發(fā)生塑性變形，甚至

第2期 張科學等：大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定

261

破壞[1]。通過對E1303瓦排巷表面位移數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)整理，得出巷道圍巖變形規(guī)律如圖10所示。

形量就有明顯的增加，多達137 mm。

綜上所述，窄煤柱寬度對大煤柱內(nèi)沿空掘巷的底鼓和窄煤柱幫的影響很大，在煤柱寬度為5 m時其頂?shù)装逡平�量和兩幫移近量都在一個比較合理范圍內(nèi)，尤其是底鼓量和窄煤柱幫移近量在此時出現(xiàn)拐點，且此時巷道變形量都在工程允許范圍內(nèi)。 3.3 窄煤柱的合理寬度

通過運用極限平衡理論對該礦E1303瓦排巷窄

移近量/m

m

圖10 不同煤柱寬度下E1303瓦排巷圍巖變形規(guī)律 Fig.10 Surface displacement amount of E1303 return airway

of different pillar widths

煤柱合理寬度的計算，并根據(jù)數(shù)值計算對E1305工作面回采后的側向支承應力分布規(guī)律和煤柱應力分布、巷道圍巖應力分布、巷道圍巖塑性區(qū)分布、巷道圍巖變形與煤柱寬度的關系進行分析，確定大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為5 m。

由圖10知，受E1303工作面回采影響，不同護巷煤柱寬度下E1303瓦排巷圍巖變形規(guī)律如下：

1) 巷道圍巖變形中底鼓最為嚴重，隨著煤柱寬度的增加底鼓量先小范圍內(nèi)減小后持續(xù)增大。煤柱寬度由3 m增至5 m時，底鼓量由320 mm減至282 mm，減小了12%；當煤柱寬度為5 m時，底鼓量隨不同煤柱寬度的變形曲線出現(xiàn)了1個拐點，即最小值，其底鼓量最小為282 mm；煤柱寬度由5 m增至15 m時，底鼓量開始時緩慢增加；但當煤柱寬度由15 m增至20 m時，底鼓量迅速增加。由此分析可知，煤柱寬度為5 m時，底鼓量最小。

2) 頂板下沉量隨不同煤柱寬度的變形曲線近似為一條直線，其變化不大，但頂板下沉持續(xù)一種高變形狀態(tài)。

3) 窄煤柱幫移近量隨煤柱寬度的增加呈現(xiàn)先小范圍內(nèi)減小后迅速增大的趨勢。煤柱寬度由3 m增至5 m時，窄煤柱幫移近量由57 mm減至39 mm，減小了32%；煤柱寬度由5 m增至12 m時，窄煤柱幫移近量由39 mm增至321 mm，增加了727%。由此可知，當煤柱寬度為5 m時，窄煤柱幫移近量隨不同煤柱寬度的變形曲線出現(xiàn)了1個拐點，即最小值，其值為39 mm，所以，煤柱寬度為5 m時，窄煤柱幫移近量最小。

4) 寬煤柱幫移近量隨不同煤柱寬度的變形曲線近似為一條直線，其變化不大，但寬煤柱幫移近持續(xù)一種高變形狀態(tài)。煤柱寬度由3 m增至5 m時，寬煤柱幫移近量由210 mm減至183 mm，從E1303瓦排巷周圍圍巖位移云圖和位移矢量圖的綜合表現(xiàn)圖也可以看出，寬煤柱幫的位移得到了小范圍內(nèi)的減小；寬煤柱幫由5 m增至15 m時，其變化不大，變形量只有57 mm，但是從15~20 m時，其變

4 現(xiàn)場礦壓觀測及分析

對現(xiàn)場礦壓觀測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)整理，得到巷道圍巖表面位移移近及其速率與時間的變形曲線，具體如圖11所示。

由圖11分析可知，巷道圍巖變形規(guī)律如下： 1) 巷道掘進影響期短，為25 d左右，圍巖變形很快趨于穩(wěn)定。在其期間，頂板下沉量最大為63.2 mm，頂板下沉速率最大為8.0 mm/d，最小為0.4 mm/d，平均為2.6 mm/d；底鼓量最大為31.0 mm，底鼓速率最大為4.8 mm/d，最小為0，平均為1.4 mm/d；大煤柱幫移近量最大為49.0 mm，大煤柱幫移近速率最大為6.2 mm/d，最小為0.1 mm/d，平均為2.0 mm/d；實體煤幫移近量最大為55.1 mm，實體煤幫移近速率最大為7.8 mm/d，最小為0.2 mm/d，平均為2.4 mm/d；在巷道掘進后的第17 d，對底板進行硬化處理(硬化厚度200 mm)，使得巷道底鼓變形較小。

2) 在巷道掘進穩(wěn)定期間，頂板下沉量最大為72.5 mm，頂板下沉速率最大為0.5 mm/d，最小為0 mm/d，平均為0.1 mm/d；底鼓量最大為31.0 mm，底鼓速率為0；大煤柱幫移近量最大為61.0 mm，大煤柱幫移近速率最大為0.7 mm/d，最小為0，平均為0.2 mm/d；實體煤幫移近量最大為65.0 mm，實體煤幫移近速率最大為0.6 mm/d，最小為0，平均為0.1 mm/d；兩幫圍巖變形大于頂?shù)装鍑鷰r變形，其中大煤柱幫移近速率稍大于實體煤幫移近速率，說明大煤柱內(nèi)的圍巖應力對其巷道變形產(chǎn)生一定的影響，但其整體圍巖變形不大，表明確定的護巷煤柱寬度是合理的。

262

80移近量/mm6040200

移近速率/(mm·d-1)

采礦與安全工程學報 第31卷

20

4060觀測時間/d(b) 底鼓

70移近量/mm

503010013579

20

4060觀測時間/d(c) 大煤柱幫移近

80

100

20

4060觀測時間/d(d) 實體煤幫移近

80

100

80

100

移近量/mm

24689

20

4060觀測時間/d(a) 頂板下沉

70

80

100

移近速率/(mm·d-1)

移近量/mm

50301001357

移近速率/(mm·d-1)

移近速率/(mm·d-1)

圖11 巷道圍巖表面位移移近與時間的變形曲線

Fig.11 Surface displacement of the surrounding rock deformation curve closer to the time

5 結 論

1) 研究了有大煤柱情況下采空區(qū)側向應力分布規(guī)律，即距采空區(qū)側向煤壁0~5 m范圍內(nèi)為應力降低區(qū)，距采空區(qū)側向煤壁5~42.5 m范圍內(nèi)為應力升高區(qū)，距采空區(qū)側向煤壁42.5~62.5 m范圍內(nèi)為應力波動區(qū)，距采空區(qū)側向煤壁距離大于62.5 m的范圍稱為原巖應力區(qū)；垂直應力總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。

2) 運用數(shù)值計算對側向支承應力分布規(guī)律和煤柱應力分布、巷道圍巖應力分布、巷道圍巖塑性區(qū)分布、巷道圍巖變形與煤柱寬度的關系進行分析，并結合極限平衡理論和該礦實際情況，最終確定大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為5 m。

3) 利用本文所提方法確定的窄煤柱寬度科學、可靠，為大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定提供了科學依據(jù)，改善了工作面雙U型巷道布置巷

道變形破壞嚴重、返修量劇增的狀況，提高了煤炭資源采出率。

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