0 引言

随着煤矿开采深度的增加，在深部高地应力、复杂构造条件等因素作用下，巷道变形越发严重，诱发煤岩动力灾害，威胁煤炭安全回采[1-4]。留设煤柱是煤矿传统的护巷方法之一，合理宽度的留设煤柱能与支护结构体及巷道围岩形成具有一定承载能力的支护整体，特别是对高瓦斯及断层赋存的综放工作面来说，不仅可以起到支撑上覆岩层压力的作用，还能隔绝采空区瓦斯，减少瓦斯扩散[5]，对于保障工作面安全具有重要意义。

一些学者开展了煤柱留设宽度的理论研究和实践应用[6-8]，通过理论计算、数值模拟、工程经验等方法确定煤柱合理留设宽度[9-11]，但对不同煤柱留设宽度条件下围岩应力分布特征缺乏深入研究。同时不同矿井影响煤柱宽度的因素各异，造成煤柱留设宽度的计算依据难以准确确定。

神华新疆能源有限责任公司屯宝煤矿地质构造复杂，回采工作面走向范围内断层分布较多，受采动影响，小煤柱导致综放工作面巷道变形严重、采空区瓦斯气体管控难。针对上述问题，本文以综放工作面M9-10煤层为工程背景，通过理论计算、数值模拟方式对M9-10煤层不同宽度的煤柱周围应力分布特征进行研究，并对其承压作用及瓦斯隔离效果进行工程验证。

1 工程背景

屯宝煤矿位于昌吉市硫磺沟镇，井田含煤地层为中侏罗统西山窑组，可采煤层(组)由上而下共有4组，依次为M4-5，M7，M9-10，M14-15煤层。M9-10煤层含有M9，M102个分层，组合煤层平均厚度为9.3 m，中间夹矸3层，夹矸平均厚度为0.88 m，煤层倾角为15～18°，属于缓倾斜特厚煤层。M9-10煤层顶板为灰褐色粉砂岩，饱和状态下单轴抗压强度为0.04～20.16 MPa，平均为6.99 MPa，为极不稳定顶板；底板为灰黑色粉砂岩或泥岩，饱和状态下单向抗压强度为1.29～31.30 MPa，平均为15.06 MPa，为不稳定底板。受地应力、构造应力与采掘活动等因素的影响，巷道变形量较大，瓦斯赋存量大。经测定，矿井相对瓦斯涌出量为3.8 m3/t，绝对瓦斯涌出量为15.83 m3/min，采煤工作面绝对瓦斯涌出量为11.84 m3/min，属于高瓦斯矿井。

在M9-10煤层共布置1191，1192，1193三个综放工作面，采用长壁走向综采放顶煤采煤方法，一水平工作面采用上行开采。首采工作面为1191综放工作面。3个综放工作面分别由13，40 m留设区段煤柱隔开，如图1所示。1191，1192，1193综放工作面倾斜长度分别为147，196，132 m，回采走向长度分别为1 100，1 180，1 250 m，平均仰角为18°。

2 煤柱留设宽度理论计算

2.1 煤柱宽度理论公式

M9-10煤层综放工作面煤柱一侧为采空区，一侧为工作面巷道，采空区与工作面巷道在煤柱两侧形成各自的弹性区。区段煤柱保持巷道稳定的基本条件：煤柱两侧产生弹性变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核宽度不小于煤柱高度的2倍[12-14]。考虑瓦斯的影响，煤柱宽度的最小值为

Bmin=x0+2h+x1

(1)

式中：x0为采空区侧弹性区宽度，m；h为采煤高度,m；x1为巷道侧弹性区宽度,m。

以Mohr-Coulomb为屈服准则得到采空区侧和巷道侧弹性区宽度公式：

(2)

(3)

式中：ε为三轴应力系数，ε=(1+sin φ)/(1-sin φ)，φ为内摩擦角，(°)；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，f=tan (φ/4)；σ0为水平主应力，MPa；K1为应力集中系数；γ为覆岩容重，γ=ρg，ρ为覆岩密度,kg/m3，g为重力加速度,m/s2；H为埋深,m；Pb为矸石约束力,MPa；β为弹性区宽度修正系数，取值参考表1；r1为巷道的截面半径,m；P为巷道支护力,MPa。

2.2 M9-10煤层煤柱宽度计算

1192综放工作面地表标高为+1 274～+1 338 m，开采提高为+903 m～+968 m，埋深为306～435 m，平均埋深为370 m；1193综放工作面地表标高为+1 275～+1 358 m，开采标高为+981～+1 029 m，埋深为266～377 m，平均埋深为322 m。

M9-10煤层围岩试样物理性质实测结果见表2。根据实测结果，取M9-10煤层的内摩擦角φ=36.5°，水平主应力σ0=3.92 MPa，经计算得三轴应力系数ε=3.936，摩擦因数f=0.25。1192综放工作面下巷和1193综放工作面上巷均为矩形巷道，巷道宽度B0=4.7 m，巷道高度h0=3.7 m，对应的巷道截面半径r1=2.35 m，由表1可知其弹性区宽度修正系数β=1.4。应力集中系数K1一般取2～4，由于综放工作面压力较大，取K1=4。采煤高度h=9.3 m。矸石约束力一般忽略不计，即Pb=0。巷道支护力P=0.3 MPa，覆岩密度ρ=2 000 kg/m3。将各参数带入式(2)和式(3)，计算得1192综放工作面采空区侧和巷道侧弹性区宽度分别为3.572，4.337 m，1193综放工作面采空区侧和巷道侧弹性区宽度分别为3.009，3.068 m。

通过式(1)计算得1192，1193综放工作面煤柱理论宽度的最小值分别为26.509，24.667 m。

3 煤柱周围应力分布特征数值模拟

开采实践中，1192综放工作面煤柱宽度留设13 m时工作面下巷变形严重，1193综放工作面煤柱宽度留设40 m时巷道较为稳定。1192，1193综放工作面煤柱理论宽度的最小值分别为26.509，24.667 m，在25 m左右，为计算方便，将煤柱宽度方案设为13，20，25，30，35，40 m共6种。以1193综放工作面地质及开采设计为原型构建FLAC3D数值计算模型，研究采动应力与断层构造应力耦合作用下不同煤柱宽度围岩应力变化规律。M9-10煤层围岩在不同剪切角度下抗剪切强度测试结果见表3，工作面区段煤柱模型如图2所示。

3.1 煤柱周围水平应力分布特征

M9-10煤层不同宽度煤柱周围水平应力分布特征如图3所示。在煤柱宽度为13 m时，水平应力在煤柱的巷道侧和采空区出现了连通，这表明煤柱宽度过小，在覆岩应力作用下达到承载极限时会出现屈服、坍塌。随着煤柱宽度加大，煤柱内的水平应力

主要趋向于采空区侧，表明加大煤柱宽度可以转移水平应力对巷道的影响，从而提高巷道稳定性。

3.2 煤柱周围垂直应力分布特征

采动应力与断层构造应力耦合作用下不同宽度煤柱周围垂直应力分布特征如图4所示。可以看出垂直应力表现出双波峰特征，随着煤柱宽度加大，巷道侧和采空区侧垂直应力峰值均出现了下降。煤柱内部应力峰值与应力集中系数见表4，可以看出加大煤柱宽度可以降低应力集中系数，从而降低综放工作面动压影响范围与程度，提高巷道稳定性。

由图4还可看出，巷道侧应力峰值基本在2.5 m位置处，此后随着距巷道距离增加，煤柱周围垂直应力先急速减小，然后呈缓慢增加趋势，采空区侧出现应力峰值，然后呈缓慢减小趋势；13 m煤柱由于其宽度过小，应力变化剧烈，20，25，30，35，40 m煤柱内的应力变化趋势较为平缓。考虑到煤柱理论宽度最小为24.667 m，故认为煤柱的合理宽度为30～40 m。

4 煤柱周围应力与瓦斯涌出工程监测

为充分验证40 m煤柱宽度的合理性，在1193综放工作面开展了钻孔应力及瓦斯监测。在工作面下巷煤壁侧及煤柱侧安装钻孔应力计，应力计位置超前工作面50 m，埋设深度均为3 m，钻孔施工高度为1.5 m。钻孔应力监测结果如图5所示。

由图5可知，受工作面回采影响，工作面前方产生采动应力集中。煤壁侧应力集中在1～2 MPa，且波动较小，在10～20 m区域有一定的应力集中，但集中程度并不大；煤柱侧应力集中在0～3.2 MPa，且在30～40 m区域应力集中程度较大。在距工作面0～30 m区域内，煤壁侧应力和煤柱侧应力变化均较小；在33～46 m区域内，煤柱承受的应力大于煤壁承受应力。由表4可以看出，相对于13 m煤柱宽度，煤柱宽度为40 m时，应力集中系数从5.04降至1.89，能够显著降低应力集中现象。因此，40 m煤柱宽度能够满足应力需求。

经现场实测，工作面回采过程中，回风流平均瓦斯体积分数为0.25%，上隅角瓦斯体积分数长期维持在0.3%左右。1193综放工作面瓦斯监测结果如图6所示。可以看出，回采期间工作面瓦斯涌出最大值为18.26 m3/min，平均值为14 m3/min；风排瓦斯量最大值为5.2 m3/min，超过5 m3/min仅有1次，平均风排瓦斯量为3.5 m3/min;高位钻孔抽采量最大值为14.46 m3/min，平均值为10 m3/min，满足生产要求，且在工作面过断层期间煤柱侧瓦斯监测未现异常。这表明，煤柱宽度为40 m时，满足瓦斯实际扩散需求。

现场应力和瓦斯监测结果表明，40 m预设煤柱能够满足矿井要求。需要指出的是，小煤柱应力集中明显，而大煤柱的煤损较大，无煤柱沿空掘巷工艺是未来应用方向。

5 结论

(1) 基于煤柱周围弹性区分布特征，分别对M9-10煤层的2个综放工作面煤柱宽度进行了理论计算与数值模拟，确定了屯宝煤矿M9-10煤层煤柱的合理宽度范围为30～40 m。

(2) 数值模拟结果表明：煤柱内的水平应力随着煤柱宽度加大趋向于采空区侧，加大煤柱宽度可以转移水平应力对巷道的影响，从而提高巷道的稳定性；煤柱侧垂直应力具有双波峰特征，巷道侧和采空区侧垂直应力峰值与应力集中系数均随着煤柱宽度的加大而降低；巷道侧应力峰值在距巷道2.5 m处，随着距巷道距离增加，垂直应力先急速减小，然后缓慢增加，采空区侧出现应力峰值后呈缓慢减小趋势。

(3) 1193综放工作面围岩钻孔应力与瓦斯监测数据表明，合理的煤柱留设宽度能够满足巷道支护强度和瓦斯实际扩散需求。

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Research on stress distribution characteristics of coal pillar in fully mechanized caving face

LIU Ming, CAO Minyuan, LI Bo

(Tunbao Coal Mine of Shenhua Xinjiang Energy Co., Ltd., Changji 831114, China)

Abstract:For fully mechanized caving face with high gas and fault occurrence, coal pillar with reasonable reserved width can not only support overlying strata pressure, but also isolate gas in goaf and reduce gas diffusion. However, there is a lack of research on distribution characteristics of surrounding rock stress under the condition of reasonable reserved width of different coal pillars at present, and it is difficult to accurately determine the basis for calculating reserved width of coal pillars because factors affecting coal pillar width in different mines are different. For the above problems, taking M9-10 coal seam on fully mechanized caving face of Tunbao Coal Mine as engineering background, the minimum width of coal pillar is obtained by theoretical calculation, and stress distribution characteristics around coal pillars with different width are studied by numerical simulation. The results show that: reasonable coal pillar width is 30-40 m; horizontal stress in coal pillar tends to goaf side with the increase of coal pillar width, which verifies that the increase of coal pillar width can transfer influence of horizontal stress on roadway, so as to improve roadway stability; vertical stress of coal pillar has characteristics of double wave peaks,and the vertical stress peak and stress concentration coefficient at roadway side and goaf side decrease with the increase of coal pillar width; location of stress peak at roadway side is 2.5 m away from the roadway, then as the distance from the roadway increases, the vertical stress first decreases rapidly and then increases slowly, and then slowly decreases after the stress peak appears on the goaf side. In order to verify rationality of 40 m coal pillar width, field monitoring of drilling stress and gas concentration is carried out on the fully mechanized caving face. The result shows that the coal pillar width of 40 m can meet actual requirements of roadway support strength and gas diffusion.

Key words:deep coal mining; fully mechanized caving face; roadway support; gas control; reserved coal pillar; coal pillar width; small coal pillar; surround rock stress distribution

文章编号：1671-251X(2020)10-0104-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.17533

中图分类号：TD713

文献标志码：A

收稿日期：2019-11-29； 修回日期：2020-08-20； 责任编辑：王晖，郑海霞。

作者简介：刘明(1973-)，男，新疆乌鲁木齐人，工程师，主要从事煤矿“一通三防”和顶板管控研究工作，E-mail:819045811@qq.com。

引用格式：刘明，曹民远，李波.综放工作面煤柱周围应力分布特征研究[J].工矿自动化，2020,46(10)：104-108.

LIU Ming,CAO Minyuan,LI Bo.Research on stress distribution characteristics of coal pillar in fully mechanized caving face[J].Industry and Mine Automation，2020,46(10)：104-108.