摘要：窄煤柱是沿空掘巷围岩的一个重要组成部分，其稳定性直接影响巷道整体稳定性，开展沿空掘巷的窄煤柱稳定性研究具有重要的意义。本文结合S8208工作面情况，通过数值建模及掘进期间煤柱应力分布，合理选择窄煤柱宽度。
关键词：窄煤柱 沿空掘巷
一、S8208回风巷布置
S8208工作面东部为S8207工作面（已采），南部为新补皮带巷，西部为S8209工作面（未掘），北部为k81105工作面（未掘）。为相邻采空区工作面。设计可采走向长760m，按一进一回加内错尾巷加走向高抽巷布置，回风巷采用沿空掘巷进行工业性试验。
二、数值模拟模型
为分析S8207工作面采空区侧向支承压力对回风巷变形的影响，确定合理的窄煤柱尺寸，采用大型有限差分法软件 FLAC3D进行数值模拟。计算模型的范围为160 m×80 m×46 m（长×宽×高），共分有110 400个单元，118 017个节点。该模型侧面限制水平移动，底部固定，模型上表面为应力边界，施加的荷载为 9.75 Mpa，模拟上覆岩体的自重边界;水平方向的侧应力系数为 1.2，荷载大小为11.7 Mpa，材料符合 Mohr-Coulomb 模型。窄煤柱数值模拟采用的巷道宽×高为4.5 m×3.0 m。
三、数值模拟方案
影响窄煤柱稳定性的因素有煤层力学参数、煤柱宽度、锚杆支护强度等，在给定支护条件和围岩力学参数条件下，只考虑煤柱宽度，设计计算8个窄煤柱方案。分别留设3、4、5、6、7、8、9、10 m煤柱，见表3.1。
表3.1 煤柱宽度方案
方案
方案一
方案二
方案三
方案四
方案五
方案六
方案七
方案八
煤柱宽度/m
3
4
5
6
7
8
9
10
四、窄煤柱掘巷期间煤柱应力分布
首先研究掘进期间不同窄煤柱条件下窄煤柱内垂直应力场分布情况，取巷道周边10 m内围岩应力场为研究对象。
掘进阶段工作面沿空掘巷窄煤柱应力分布有如下特征：
① 不同窄煤柱宽度窄煤柱垂直应力变化规律
1. 窄煤柱宽度为3 m-5 m，煤柱内垂直应力峰值基本呈线性增大趋势，线性斜率较小，3 m时垂直应力峰值为5 Mpa，4 m时垂直应力峰值为7.46 Mpa，5 m时垂直应力峰值为9.23 Mpa。
2. 窄煤柱宽度为6 m-7 m，煤柱内垂直应力峰值基本呈线性增大趋势，线性斜率较大，6 m时垂直应力峰值为12.2 Mpa，7 m时垂直应力峰值为14.2 Mpa。
3. 窄煤柱宽度为 8 m-10 m，煤柱内垂直应力峰值基本稳定，增加不大，8 m时垂直应力峰值为14.5 Mpa，9 m时垂直应力峰值为14.8 Mpa，10 m时垂直应力峰值为15.1 Mpa。
② 不同窄煤柱宽度窄煤柱垂直应力变化规律
煤柱宽度由3 m增大到10 m时，窄煤柱内垂直应力分布由近似三角形逐渐向梯形过渡。煤柱宽度为3 m-5 m时，垂直应力分布近似呈钝角三角形，煤柱应力峰值区较大，但由于应力峰值比较小，因此发生塑性破坏的煤柱区域也比较小，煤柱宽度为6 m-8 m，垂直应力分布近似锐角三角形，煤柱应力峰值区较小，但峰值应力相对较大，发生塑性破坏的煤柱区域也比较大，煤柱宽度为9 m-10 m，垂直应力分布近似呈梯形，煤柱应力峰值区较大，应力峰值也较大，煤柱的稳定性明显减弱。
③ 垂直应力峰值分布
随着窄煤柱宽度的增大，窄煤柱内垂直应力峰值位置基本不变，大约在距采空区侧1 m-2 m位置。
④ 煤柱宽度对煤柱浅部应力的影响
煤柱3 m时，浅部应力较大，煤柱3 m-5 m时，浅部应力较小。煤柱超过6 m后，随着煤柱宽度的增大，浅部应力又相应的增大。
五、窄煤柱宽度对巷道变形的影响
煤柱宽度影响巷道围岩应力状态、围岩位移场分布，为进一步确定合理的窄煤柱宽度，对巷道围岩变形与煤柱宽度的关系进行研究。
① 顶板下沉
煤柱3 m-4 m时，顶板下沉量随着煤柱宽度的增大而增大，但顶板下沉量较小，只从104.6 mm增加到136.8 mm;煤柱5 m-6 m时，顶板下沉量随着煤柱宽度的增大而急速增加;煤柱7 m-10 m时，顶板下沉量随着煤柱宽度的增加先是增加后减小，但变化不大，只从194.3 mm增加至220.6 mm后减小至199.0 mm，顶板变形基本稳定，煤柱宽度小于9 m时，顶板下沉量缓慢增加，大于9 m时，顶板下沉量缓慢减小。
② 底鼓
巷道底鼓量随煤柱宽度增大先是急速增大，后缓慢增大，最后趋于稳定，并在稳中有降，煤柱3 m-6 m时，底鼓量急剧增加，煤柱7 m-10 m时，底鼓量趋于稳定，先是缓慢增加后缓慢减小，其中8 m窄煤柱底鼓量为极值点，煤柱宽度小于8 m时，顶板下沉量缓慢增加，大于9 m时，顶板下沉量缓慢减小。
③ 窄煤柱帮移近
煤柱3 m-5 m时，窄煤柱帮移近量随煤柱宽度增大而缓慢增加，增大幅度不大;煤柱6 m时，窄煤柱帮移近量随煤柱宽度增大而急剧增加;煤柱7 m-10 m时，煤柱帮移近量随煤柱宽度增大而缓慢增加。
④ 实体煤帮移近
煤柱3 m-5 m时，实体煤帮移近量随着煤柱宽度的增大而缓慢增大，但移近量较小;煤柱6 m时，实体煤帮移近量随着煤柱宽度的增大而急速增加，;煤柱7 m-10 m时，顶板下沉量随着煤柱宽度的增加而减小，但变化不大，实体煤帮变形基本稳定。
综上所述，从水平位移考虑，合理的窄煤柱宽度应为3 m-5 m。
六、窄煤柱宽度的合理确定
采用锚杆支护时窄煤柱宽度应满足以下几个原则：
① 巷道处于应力降低区
采空区侧向支承压力分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区，当巷道位于应力降低区时，窄煤柱沿空掘巷巷道顶板下沉量、窄煤柱帮水平移近量以及实体煤帮移近量均有很大程度的降低，围岩应力状况得到很大的改善，围岩稳定性均较好，所以应将巷道布置在应力降低区。
留设煤柱时，应使巷道布置在应力降低区内，避开垂直应力峰值的影响范围。所以，S8208回风巷距S8207煤柱的宽度应当小于6 m或者大于21 m，为减小煤柱损失，提高采出率，留设煤柱宽度应小于6 m。
②窄煤柱内部有稳定的区域。如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较小，而且锚杆在破碎煤体中的锚固力小，锚杆支护作用降低，因此，应将锚杆锚固在上区段工作面回采产生的破碎区外的稳定煤体中。留设3 m煤柱时，煤柱破碎，巷道移近量较大，且垂直应力峰值大于4 m-5 m煤柱时的垂直应力峰值。
窄煤柱宽度3 m-5 m时，窄煤柱内垂直应力峰值呈小斜率线性增长，应力峰值比较低，窄煤柱宽度为5 m-6 m时，窄煤柱内存在稳定区域，水平位移也比较小，并综合考虑沿工作面倾向距S8207工作面采空区边缘2 m-5 m 范围为S8207工作面采空区侧向支承压力应力降低区，确定合理的窄煤柱宽度为5 m。
参考文献：
【1】李学华. 综放沿空掘巷围岩稳定控制原理与技术.[M].徐州.中国矿业大学出版社.2008.6.
【2】杨永杰. 地应力测量及综放沿空掘巷支护技术.[M].煤炭工业出版社.2010.10.