郭宇

摘 ?要：沿空巷道護(hù)巷煤柱尺寸關(guān)乎巷道圍巖的穩(wěn)定。通過數(shù)值計(jì)算手段，分析了不同煤柱寬度條件下巷道圍巖應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)的演化規(guī)律，并用現(xiàn)場試驗(yàn)檢驗(yàn)了回采期間煤柱的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性。研究表明，煤柱尺寸越小，煤柱承載能力越低，巷道塑性區(qū)越大，采動(dòng)應(yīng)力影響下可能導(dǎo)致煤柱塑性區(qū)與相鄰工作面采空區(qū)貫通。該沿空掘巷布置及優(yōu)化分析方法和所積累的礦壓數(shù)據(jù)為礦井下一步推廣應(yīng)用沿空掘巷技術(shù)提供了技術(shù)保障。

關(guān)健詞：煤與瓦斯突出;沿空掘巷;煤柱;礦壓顯現(xiàn);數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0109-02

Abstract： The coal pillar size of roadway protection is related to the stability of roadway surrounding rock. By means of numerical calculation， the evolution rules of stress field， displacement field and plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar widths are analyzed， and the stress state and stability of coal pillar during stoping are tested by field test. The results show that the smaller the coal pillar size is， the lower the bearing capacity of coal pillar is， and the larger the plastic zone of roadway is. The layout， optimization analysis method and the accumulated pressure data provide a technical guarantee for the popularization and application of the tunneling technology in the next step.

Keywords： coal and gas outburst; roadway driving along goaf; coal pillar; underground pressure; numerical calculation

沿空掘巷巷道的布置形式，可分為完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留較寬煤柱沿空掘巷和原位沿空掘巷等[1]。在沿空掘巷技術(shù)的發(fā)展過程中，錨桿支護(hù)的應(yīng)用為沿空掘巷的普及做出了巨大的貢獻(xiàn)[2]。對(duì)巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、圍巖變形機(jī)理、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等方面的研究，也為各種形式沿空巷道的布置打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后來，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)于沿空巷道的掘進(jìn)時(shí)間及掘進(jìn)位置的確定是影響巷道圍巖控制效果的一個(gè)重要因素，并開始注重相關(guān)方面的研究。特別是對(duì)于留窄煤柱護(hù)巷，因其不但可以提高回采率，而且還有利于控制圍巖變形，所以一直是學(xué)者研究的重點(diǎn)[3-5]?，F(xiàn)有的研究成果表明，不同寬度的窄煤柱對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響程度是不一樣的，影響因素主要包含兩點(diǎn)：一是影響到巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境，改變了圍巖的應(yīng)力分布;二是影響到巷道圍巖的變形特征與規(guī)律。國內(nèi)外學(xué)者為此做了大量的研究工作，并且取得了豐富的理論成果[7-8]，但對(duì)于一些特殊條件下的沿空掘巷研究還存在理論研究不夠完善、案例研究不夠豐富、實(shí)踐相對(duì)較少的不足。如，對(duì)于煤層群沿空巷道的布置和優(yōu)化、巷道受重復(fù)動(dòng)壓影響的穩(wěn)定性、高瓦斯礦井的巷道防漏風(fēng)問題等的研究還存在不足。

1 工作面概況

沙曲一號(hào)煤礦現(xiàn)采4號(hào)煤深度近500m，巷道受地應(yīng)力、上區(qū)段動(dòng)壓影響、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造等影響，圍巖節(jié)理裂隙十分發(fā)育、松散破碎、變形劇烈、破壞范圍大，巷道支護(hù)難度大;4、5號(hào)煤層間距平均僅為4.5m，4號(hào)煤平均厚度4.2m，五號(hào)煤平均厚度3.6m，屬于典型的厚煤層近距離煤層群，采場開采、巷道布置等存在干擾。

4305工作面北面為4306采空區(qū)，東距礦界50m，南部為未采區(qū)，西側(cè)為原4305采空區(qū)。現(xiàn)4305工作面膠帶巷與4306工作面采空區(qū)間的護(hù)巷煤柱需要進(jìn)行確定和優(yōu)化。工作面煤層厚度范圍為3.9-4.2m，平均為4.1m。工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，基本呈單斜構(gòu)造，煤層傾角為7°。工作面采用傾斜長壁后退式采煤法，綜采一次采全高。工作面傾向布置，走向長度為174m，可采平均長度為396m。工作面煤層較穩(wěn)定，局部含泥巖夾矸，4#煤呈黑色，玻璃光澤，結(jié)構(gòu)均一，內(nèi)生裂隙發(fā)育，抗壓強(qiáng)度為10.50-14.77MPa。

根據(jù)工作面鄰近鉆孔資料分析，4#煤層向上距離2#煤層平均為20.0m，向下距離5#煤層平均為4.5m，其中2#煤平均厚度為0.8m，5#煤平均厚度為3.6m。工作面?zhèn)雾敳话l(fā)育，局部有厚度為0.2m的泥巖，4#煤層直接頂為灰色中細(xì)砂巖，厚度為5.0m左右，老頂為5.5m左右的粗砂巖，再上為9.0m左右的黑色泥巖。4#煤層直接底為2m灰色中砂巖，有團(tuán)塊狀黃鐵礦，老底為2.5m左右的砂質(zhì)泥巖，再下為5#煤層偽頂，厚度為0.6m的炭質(zhì)泥巖。

2 煤柱寬度計(jì)算及優(yōu)化

結(jié)合礦井現(xiàn)有礦壓資料，針對(duì)4305膠帶巷護(hù)巷煤柱尺寸提出5m、8m和15m三個(gè)備選方案，通過數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行方案的優(yōu)選。

根據(jù)4305工作面實(shí)際地質(zhì)條件，建立模型尺寸420m×200m×160m，單元總數(shù)為457760。其中煤與各巖層的厚度分別為，頂板100m，煤層4m，底板56m。模型中工作面左側(cè)為4306工作面采空區(qū)長100m，中間為煤柱和4305沿空巷道，巷道尺寸為4.6m×4.2m，4305工作面長180m，模型上邊界施加邊界載荷p=10MPa以模擬上覆巖層自重，模型其他三個(gè)邊界均為位移約束。

巷道圍巖及煤體參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、剪脹角以及抗拉強(qiáng)度，如表1所示。

支護(hù)參數(shù)方面，錨桿參數(shù)為彈性模量200GPa、樹脂剪切剛度1.0×104MN/m2、樹脂粘結(jié)力1.0MN/m、抗拉強(qiáng)度0.16MN，錨桿截面積3.84×10-4m2。錨索參數(shù)為彈性模量200GPa、樹脂剪切剛度1.0×104MN/m2、樹脂粘結(jié)力2.3MN/m、抗拉強(qiáng)度0.16MN，錨索截面積3.73×10-4m2。

結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)條件，模擬回采巷道在掘進(jìn)和回采階段巷道表面位移、圍巖塑性區(qū)以及工作面區(qū)域應(yīng)力場的變化情況，根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果分析巷道支護(hù)效果，進(jìn)一步優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。

3 回采階段不同煤柱寬度下的圍巖變形特征

（1）回采階段巷道應(yīng)力場分布。4305工作面開采時(shí)工作面前方以及兩側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，受應(yīng)力集中區(qū)影響，巷道發(fā)生變形和破壞，分析工作面回采時(shí)超前巷道區(qū)域應(yīng)力得出，隨著煤柱寬度逐漸減小，煤柱應(yīng)力集中程度逐漸增大，峰值系數(shù)由1.53增大至2.49，峰值區(qū)域不斷靠近巷道位置，對(duì)巷道造成擠壓。其中煤柱寬度5m，巷道應(yīng)力峰值距巷道左幫2m，煤柱寬度8m和15m，巷道應(yīng)力峰值距巷道左幫5m。巷道回采過程中煤柱寬度越小，受到的應(yīng)力集中影響越明顯，但是在煤柱8m時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)和范圍與煤柱15m相比較，變化較小，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.8和1.5，峰值位置靠近4305工作面。（2）回采階段巷道塑性區(qū)分布。巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r，是巷道變形破壞的決定因素，也是支護(hù)成功與否的關(guān)鍵因素，為了便于說明問題，斷面為研究對(duì)象，該斷面圍巖塑性區(qū)最終形態(tài)，分析后得出煤柱寬度5m，巷道塑性區(qū)擴(kuò)展，頂部最大值約4m，底部最大值約1.5m，兩幫最大值約4m，煤柱塑形區(qū)域與4306工作面采空區(qū)貫通，煤柱失去承載能力。煤柱寬度8m，巷道塑性區(qū)頂部位置最大值約0.5m，底部最大值約1.5m，兩幫最大值約4m，煤柱中間仍保持彈性狀態(tài)。煤柱寬度15m，巷道塑性區(qū)在巷道頂部最大值約1m，底部最大值約1.5m，兩幫最大值約3m，煤柱保持穩(wěn)定性，巷道保存穩(wěn)定。

煤柱寬度5m，巷道塑性區(qū)較大，回采階段煤柱塑形區(qū)域與4306工作面采空區(qū)貫通，失去承載能力，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生大變形，不利于巷道穩(wěn)定;煤柱寬度8m，巷道在回采階段塑形向4306采空區(qū)擴(kuò)展，煤柱中間仍保持彈性狀態(tài)，巷道變形量能夠控制。煤柱寬度15m，巷道塑性區(qū)最小，巷道在回采階段變形量最小，穩(wěn)定性最好。

綜合以上分析，巷道掘進(jìn)期間，煤柱寬度效應(yīng)對(duì)巷道變形影響較小，掘進(jìn)過程中巷道變形量可控，但煤柱區(qū)域應(yīng)力和塑形區(qū)范圍隨煤柱變窄而增大，尤其在留設(shè)煤柱5m時(shí)，煤柱塑形區(qū)貫通4306采空區(qū)不利于巷道穩(wěn)定?；夭呻A段，留設(shè)的5m煤柱完全破壞，失去承載能力，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生大變形，不利于巷道穩(wěn)定;留設(shè)煤柱寬度8m，煤柱中間仍保持彈性狀態(tài)，受力較為均衡，巷道變形量得到有效控制，留設(shè)煤柱寬度15m相比于留設(shè)5m、8m煤柱，留設(shè)煤柱寬度較大，4306采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力在煤柱側(cè)應(yīng)力集中影響較小，巷道塑性區(qū)較小，巷道在回采階段變形量最小，但是考慮煤炭資源的不可再生，提高煤炭資源的回收利用，4305工作面沿空掘巷選用8m煤柱較為合理，可以有效控制巷道變形，保障工作面安全回采，同時(shí)降低煤炭資源的浪費(fèi)，提高煤炭資源回收率。

4 煤柱受力性能現(xiàn)場試驗(yàn)

在巷道內(nèi)設(shè)置了3個(gè)煤柱應(yīng)力監(jiān)測站，利用鉆孔應(yīng)力分別監(jiān)測深度為1m、3m、5m位置的應(yīng)力變化。

以1#測站為例，煤柱1m處傳感器初始安裝應(yīng)力1.03MPa，穩(wěn)定后為1.09MPa;煤柱3m處傳感器初始安裝應(yīng)力0.62MPa，穩(wěn)定后為0.48MPa;煤柱5m處傳感器初始安裝應(yīng)力1.37MPa，穩(wěn)定后為1.98MPa。通過上述各個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化可以看出，5m測點(diǎn)位置壓力變化比較明顯，可以認(rèn)為該處為煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中峰值區(qū)域。

回采期間煤柱支承壓力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工作面超前影響距離約30m，測點(diǎn)壓力變化浮動(dòng)較小，總體呈下降趨勢，最大應(yīng)力值小于3MPa，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)束語

（1）針對(duì)煤與瓦斯突出礦井，沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度的確定應(yīng)遵循有利于巷道圍巖穩(wěn)定、有利于下層煤巷道的礦壓管理、提高回采率、保證巷道密閉性的原則。（2）分析了4305工作面與4306采空區(qū)留設(shè)5m、8m、15m煤柱對(duì)應(yīng)工作面巷道掘進(jìn)及回采期間的變形及破壞規(guī)律，通過分析不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力、巷道變形量以及塑性區(qū)的分布，認(rèn)為選用8m煤柱較為合理。（3）巷道掘進(jìn)和工作面回采期間的煤柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果顯示，4-5m區(qū)域?yàn)槊褐鶅?nèi)的應(yīng)力集中區(qū)域，巷道掘進(jìn)對(duì)煤柱的擾動(dòng)較小，回采期間煤柱應(yīng)力總體呈下降趨勢，最大應(yīng)力值小于3MPa，煤柱性能穩(wěn)定。

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