郭鵬飛

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

目前,隨著礦井開采深度增加,原巖應(yīng)力與復(fù)雜應(yīng)力的程度增大,圍巖力學(xué)性質(zhì)變化,綜放復(fù)雜應(yīng)力區(qū)預(yù)留煤柱與巷道維護(hù)愈來愈困難[1-5]。復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下,沿空掘巷的圍巖控制面臨一系列新的問題亟待解決。在煤礦生產(chǎn)過程中,煤巷的有效控制是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ);煤柱的優(yōu)化能夠節(jié)省資源,提高回采率和經(jīng)濟(jì)效益[6-10]。因此,研究窄煤柱穩(wěn)定性的控制技術(shù)對(duì)有效控制圍巖的變形與破壞具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

張科學(xué)等[11]通過位移場(chǎng)分析,得出煤柱向巷道內(nèi)位移普遍大于向采空區(qū)側(cè)位移,最后得出沿空掘巷窄煤柱寬度的確定方法。柏建彪等[12]通過數(shù)值計(jì)算分析,研究了綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩(wěn)定性與煤柱寬度、煤層力學(xué)性質(zhì)及錨桿支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系,針對(duì)不同煤層條件確定了相應(yīng)的窄煤柱寬度,并將研究結(jié)果成功應(yīng)用于實(shí)踐。李學(xué)華等[13]通過總結(jié)分析影響窄煤柱變形的關(guān)鍵因素提出了不同影響因素下保障窄煤柱穩(wěn)定的控制對(duì)策。文章以某礦20109工作面回風(fēng)順槽為研究背景,結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬方法確定了工作面窄煤柱的合理寬度,為有效解決圍巖問題提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程概況

某礦主采2號(hào)煤層和10號(hào)煤層,普遍埋深在300 m左右。煤層賦存平緩,一般傾角3°～5°,頂板穩(wěn)定,地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,涌水量小,低瓦斯,開采技術(shù)條件較好,采用綜合機(jī)械化開采方式。20109工作面為采區(qū)接續(xù)工作面,回風(fēng)巷采用沿空掘巷,工作面巷道總長(zhǎng)1 460 m,所采2號(hào)煤層賦存穩(wěn)定,平均厚度6.02 m,無夾矸,煤質(zhì)為碎塊、黑色、粉末狀,煤層傾角一般小于10°。2號(hào)煤頂板一般為灰黑色泥巖、粉砂巖等,厚度為2 m左右,含植物葉部化石。底板為黑色的砂泥巖、細(xì)砂巖,有時(shí)為泥巖,富含植物根部化石,厚度為3 m～6 m。各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of rock strata

2 煤柱合理寬度的數(shù)值模擬及應(yīng)力分析

根據(jù)20109工作面回風(fēng)順槽圍巖賦存情況,建立有限差分軟件FLAC3D模擬分析所需數(shù)值計(jì)算模型,模型尺寸130 m×100 m×29 m(長(zhǎng)×寬×高);結(jié)合采區(qū)工作面地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,垂直(z軸方向)地應(yīng)力施加地應(yīng)力7.28 MPa,水平面上沿南北方向(x軸)應(yīng)力分量12.80 MPa,計(jì)算中水平側(cè)壓系數(shù)取為1.0。

影響窄煤柱穩(wěn)定性的因素較多,結(jié)合該礦地質(zhì)條件,只考慮煤柱寬度的影響,設(shè)計(jì)分別留設(shè)4 m、6 m、8 m和10 m煤柱4個(gè)計(jì)算方案。

2.1 窄煤柱圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

研究不同寬度窄煤柱條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布情況,確定合理的窄煤柱的寬度,圖1為不同窄煤柱寬度條件下營(yíng)造圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布圖。

圖1 不同窄煤柱寬度條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布圖Fig.1 Distribution of vertical stress field of surrounding rock under different narrow coal pillar widths

由圖1可見,不同煤柱寬度條件下20109工作面回風(fēng)順槽圍巖垂直應(yīng)力分布特征為:

1)煤柱寬度為4 m～6 m時(shí),巷道圍巖應(yīng)力較小;煤柱寬度增加為8 m～10 m時(shí),巷道圍巖應(yīng)力明顯增大。

2)從窄煤柱的應(yīng)力分布云圖看,當(dāng)煤柱寬度為4 m～8 m時(shí),應(yīng)力圈形成不明顯,或者正在形成,護(hù)巷煤柱內(nèi)的應(yīng)力都處在較低水平,沒有形成煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)煤柱寬度為8 m～10 m時(shí),煤柱內(nèi)的應(yīng)力圈基本形成,煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度顯著大于實(shí)體煤幫的應(yīng)力集中程度。

3)巷道頂板垂直應(yīng)力分布隨煤柱寬度的變化規(guī)律性不強(qiáng),整體來看,隨著煤柱寬度的增加,垂直應(yīng)力水平逐漸增加,形成的垂直應(yīng)力等值線圈也越來越大。

綜上所述,窄煤柱寬度不同時(shí),巷道圍巖應(yīng)力特征變化較為明顯綜合考慮整個(gè)巷道圍巖的應(yīng)力分布特征,認(rèn)為煤柱寬度小于8 m時(shí)巷道圍巖處在較好的應(yīng)力環(huán)境中。

2.2 掘巷期間窄煤柱變形規(guī)律

為確定合理的窄煤柱的寬度,研究掘進(jìn)期間不同窄煤柱條件下窄煤柱內(nèi)水平位移場(chǎng)分布情況,分析得出掘巷期間沿空掘巷煤柱內(nèi)水平位移具有以下特征:

煤柱寬度4 m～8 m時(shí),煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移隨煤柱寬度增大而增大,窄煤柱寬度大于8 m后,煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移隨煤柱寬度增大而減小,然后趨于穩(wěn)定。煤柱6 m～8 m時(shí)的巷道位移量明顯大于4 m～8 m時(shí)的位移量。

2.3 窄煤柱圍巖變形規(guī)律

分析不同煤柱寬度條件下對(duì)頂板、底臌、煤柱以及煤幫等方面的影響。

1)頂板下沉:巷道頂板下沉量受煤柱寬度影響較大,煤柱寬度4 m～6 m時(shí),頂板下沉量隨著煤柱寬度的增大而減小;煤柱寬度8 m～10 m時(shí),頂板下沉量隨著煤柱寬度的增大而增大;煤柱寬度繼續(xù)增大,頂板下沉量增加幅度劇烈減小而后基本保持穩(wěn)定。

2)底臌:底臌量隨煤柱寬度的增加變化不很明顯,整體來看,隨著煤柱寬度的增加,底臌量先減小后增大,在煤柱寬度為10 m時(shí),底臌量達(dá)到最大,煤柱寬度由4 m增加到6 m時(shí),底臌量先增大后減小,至5 m時(shí)最小底臌量達(dá)到15.6 mm;煤柱寬度由8 m增加到10 m時(shí),底臌量緩慢增大,窄煤柱寬度繼續(xù)增大,底臌量增加幅度減小,基本可以看作保持穩(wěn)定。

3)窄煤柱幫變形量:煤柱寬度從4 m增加到8 m,幫變形量劇烈減小至116.8 mm,且明顯小于煤柱寬度8 m～10 m時(shí)的變形量,煤柱寬度4 m時(shí)變形量最小,但此時(shí)煤柱已經(jīng)完全處于塑性破壞狀態(tài),承載能力很小、錨固基礎(chǔ)較差。

4)實(shí)體煤幫變形量:實(shí)體煤幫變形量隨煤柱寬度的增加先減小后增大再減小,當(dāng)煤柱寬度由4 m增大至8 m時(shí),實(shí)體煤幫變形量由74.1 mm減小至67.7 mm,在煤柱寬度8 m～10 m的范圍內(nèi),實(shí)體煤幫變形量逐漸增大,在窄煤柱寬度為10 m的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大其寬度,實(shí)體煤幫變形開始緩慢減小。

綜上所述,在煤柱寬度為6 m～8 m時(shí),巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平慷荚谝粋€(gè)比較合理的范圍內(nèi)。

3 沿空巷道礦壓監(jiān)測(cè)與分析

20109順槽中安設(shè)礦壓測(cè)站,其中回風(fēng)順槽為沿空掘巷,留設(shè)8 m煤柱。20109工作面水平構(gòu)造應(yīng)力大且與巷道走向垂直,原巖應(yīng)力與工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定影響較大,布置礦壓測(cè)站,對(duì)工作面回采巷道圍巖變形與破壞狀況進(jìn)行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè),以獲得圍巖的位移和應(yīng)力信息,從而判斷巷道圍巖的穩(wěn)定程度和安全性。

采用測(cè)距儀觀測(cè)頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量以及相對(duì)移近速度,采集測(cè)站數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析。

膠帶巷由于在實(shí)體煤中,掘進(jìn)和回采期間相對(duì)穩(wěn)定?；仫L(fēng)巷沿采空區(qū)留設(shè)8 m煤柱掘進(jìn),是本次礦壓觀測(cè)重點(diǎn)。礦壓觀測(cè)時(shí)間歷時(shí)約200 d,巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量,繪制回風(fēng)巷表面位移量與時(shí)間關(guān)系曲線圖。

分析曲線圖知,巷道掘巷后的短時(shí)間內(nèi)變形速度較快,巷道斷面通過變形釋放部分圍巖應(yīng)力;隨著不斷推進(jìn),巷道逐漸產(chǎn)生較大變形,兩幫變形表現(xiàn)尤為明顯,且煤柱側(cè)向巷道內(nèi)移進(jìn)量大于兩幫移近量,說明兩幫變形主要來自煤柱一側(cè)的變形。

通過頂板離層儀監(jiān)測(cè)巷道各上覆巖層相對(duì)位移量,儀器設(shè)置1.5 m、4 m和8 m 3個(gè)不同深度的基點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)煤層頂板、直接頂及基本頂,離層儀監(jiān)測(cè)讀數(shù)匯總曲線如圖2所示。

圖2 巷道頂板覆巖相對(duì)位移與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between the relative displacement of overlying strata and the time

頂板離層儀讀數(shù)曲線反映了巷道頂板與上覆巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移,結(jié)合巷道頂?shù)装逡平壳€,對(duì)比分析不同深度基點(diǎn)讀數(shù)曲線,可得以下結(jié)論:8 m深基點(diǎn)基本頂最為穩(wěn)定,巖層位移量最小,可作為其他巖層位移的參照層;測(cè)站安設(shè)前兩周,1.5 m深基點(diǎn)相對(duì)位移最小,表明頂板下沉量主要是錨桿錨固區(qū)外煤層冒落引起,而位移量隨后趨于穩(wěn)定,表明方格金屬網(wǎng)有效支護(hù)了冒落煤層;4 m深基點(diǎn)基本頂巖層下沉位移也不大,表明該巖層承載能力較強(qiáng),作為支護(hù)的受力層能夠滿足圍巖穩(wěn)定的需求。

綜上分析,確定某礦沿空掘巷留設(shè)8 m煤柱可行。根據(jù)模擬研究和礦壓觀測(cè),煤柱仍有優(yōu)化空間,有待進(jìn)一步深入研究。窄煤柱的合理留設(shè)與進(jìn)一步優(yōu)化,提高了圍巖的穩(wěn)定性,既能夠有效控制圍巖變形,又減少了資源浪費(fèi),提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

1)由于沿空掘巷過程中窄煤柱留設(shè)寬度不同,易引起巷道的圍巖變形問題,降低生產(chǎn)過程中的安全性。

2)結(jié)合窄煤柱圍巖應(yīng)力分布規(guī)律與窄煤柱掘巷期間圍巖變形規(guī)律,巷道位移量與兩幫移近量在煤柱寬度6 m～8 m情況下較小,確定窄煤柱的合理寬度應(yīng)該在6 m～8 m。

(3)礦壓觀測(cè)8 m煤柱留設(shè)情況,巷道實(shí)體煤側(cè)變形小,相對(duì)穩(wěn)定,8 m煤柱留設(shè)方案可行,能夠提高資源回采率,增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。