呂維赟，任卓鑫

(1.潞安化工集團(tuán)，山西 長治 046000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著煤炭資源的不斷開采，我國許多礦井逐漸步入資源枯竭期。在長期開采過程中，由于各種原因，遺留了較多的邊角煤資源。為提高煤炭采出率，延長礦井服務(wù)年限，回收邊角煤資源對于資源枯竭型礦井就顯得尤為重要[1-3]。邊角煤資源具有賦存條件多變、過多條平行或斜交空巷、受多次開采擾動圍巖裂隙較多、回收技術(shù)難度較大、成本高及安全性較差等特點(diǎn)[4-6]。因此，邊角煤回收工作面安全、高效、經(jīng)濟(jì)過空巷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)資源枯竭礦井精細(xì)化開采的關(guān)鍵[7]。

目前，邊角煤工作面過空巷的方法主要有空巷支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)、充填支護(hù)、深孔注漿加固和改進(jìn)施工工藝等方法[8-11]。王剛偉[12]采用泵送充填支護(hù)技術(shù)替代了傳統(tǒng)的“木垛+錨索”補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，保障了綜采工作面過空巷的安全回采；張國恩等[13]根據(jù)理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，設(shè)計了“錨索+泵送支護(hù)”過空巷方案，結(jié)果表明，泵送支柱是保證工作面安全通過空巷群的關(guān)鍵；張耀輝等[14]采用理論分析和現(xiàn)場工況結(jié)合的方法，針對不同空巷的賦存特性，提出了不同的充填或注漿加固方法，有效保證了工作面的安全回采；王萌[15]通過FLAC3D和現(xiàn)場試驗(yàn)研究了空巷充填前后的圍巖變化規(guī)律，結(jié)果表明，高水充填方法可以有效降低空巷圍巖應(yīng)力，減小空巷變形。張金龍等[16]研究了工作面過斜交大斷面空巷的圍巖變形機(jī)理，采用不同強(qiáng)度充填體加強(qiáng)巷道支護(hù)，結(jié)果表明，充填體強(qiáng)度對頂板下沉量的影響不大。都海龍[17]采用水灰比為3∶1的高水材料充填過空巷，現(xiàn)場實(shí)踐表明應(yīng)用效果良好，工作面過空巷期間巷道無明顯冒頂、片幫現(xiàn)象?；谏鲜鲅芯浚槍夭晒ぷ髅孢^多條平行和斜交空巷問題，以潞安集團(tuán)漳村煤礦采區(qū)保護(hù)煤柱回收為工程背景，分別通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，研究阻燃PVC混凝土柱支護(hù)空巷圍巖穩(wěn)定性控制，提出了阻燃PVC混凝土柱支護(hù)安全高效過空巷技術(shù)方案?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)可保障工作面的安全高效回采。

1 工程概況

漳村煤礦采區(qū)煤柱回收工作面屬孤島工作面，兩側(cè)均為采空區(qū)，如圖1所示，工作面過多條同層平行和斜交空巷，回采工作面過空巷情況見表1。煤巖層綜合柱狀圖如圖2所示。經(jīng)研究，采區(qū)煤柱回收工作面采用PVC混凝土柱支護(hù)過空巷技術(shù)，該技術(shù)相比于柔?；炷林ёo(hù)具有自承能力高、塑形好及讓壓變形能力強(qiáng)等優(yōu)勢；同時，泵送的混凝土支護(hù)材料不易侵入原煤，影響煤質(zhì)。

圖1 煤柱回收工作面采掘布置

煤柱回收綜采工作面推進(jìn)過程中遇平行或斜交巷道時，隨著工作面向空巷不斷推進(jìn)，煤柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象將越來越明顯，回采工作面過空巷基本頂破斷情況如圖3所示。由圖3可知，煤柱主要受到來自頂板的軸向壓力，由于煤柱兩側(cè)無側(cè)向約束，導(dǎo)致煤柱的承載能力會大大降低，塊體B對來壓的判定起著至關(guān)重要的作用[18-20]。

表1 煤柱回收工作面過空巷情況

圖2 煤巖層綜合柱狀圖

圖3 回采工作面過空巷基本頂破斷

2 PVC混凝土柱支護(hù)過空巷數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

采用FLAC3D建立數(shù)值計算模型，研究阻燃PVC混凝土柱支護(hù)過空巷效果，如圖4所示。模型尺寸為258m×96m×76.4m，本構(gòu)遵循莫爾-庫倫準(zhǔn)則，采用大變形模式，上覆巖層荷載為10MPa。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計阻燃PVC混凝土直徑為1.2m，阻燃PVC管壁厚1cm。阻燃PVC管置于空巷中間位置，內(nèi)部充填C30混凝土。煤巖層和混凝土的基本力學(xué)參數(shù)見表2。

圖4 阻燃PVC混凝土柱支護(hù)過空巷數(shù)值模型

表2 煤巖層和阻燃PVC混凝土柱基本力學(xué)參數(shù)

2.2 柱凈距優(yōu)化

阻燃PVC混凝土柱應(yīng)在提供足夠支護(hù)阻力的同時綜合考慮其經(jīng)濟(jì)適用性，因此，在阻燃PVC混凝土柱支護(hù)設(shè)計過程中，需對阻燃PVC混凝土柱凈距進(jìn)行研究。下面分別對柱凈距為1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m時的阻燃PVC混凝土柱最大應(yīng)力進(jìn)行研究。模擬得出柱凈距與阻燃PVC混凝土柱應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 柱凈距與阻燃PVC混凝土柱應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖5可知，柱凈距為1.6m和1.8m時，墩柱頂部垂直應(yīng)力分布較小，此時阻燃PVC混凝土柱頂部位置應(yīng)力小于10MPa。隨著柱凈距的增加，柱間頂板拉應(yīng)力區(qū)逐漸增大。當(dāng)柱凈距為2.0m時，頂部應(yīng)力增大至11.47MPa。當(dāng)柱凈距超過2.0m時，單根墩柱分擔(dān)的覆巖重量急劇增加，巷道直接頂完整性大幅下降。當(dāng)柱凈距為2.2m和2.4m時，頂部應(yīng)力增大至16.44MPa和24.10MPa；當(dāng)柱凈距為2.6m時，頂部應(yīng)力增大至34.11MPa，此時已經(jīng)超過C30混凝土的支撐強(qiáng)度。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明：PVC混凝土柱支護(hù)后顯著減小了頂板拉力區(qū)范圍，隨著柱凈距的增大，阻燃PVC混凝土柱受到的壓力呈指數(shù)函數(shù)速度增加。綜合考慮安全和施工成本等因素，建議阻燃PVC混凝土柱的凈距為2m。

2.3 圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，分析工作面距空巷距離D與煤柱(體)垂直應(yīng)力σv之間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知，隨著D的不斷減小，σv呈“雙駝峰”狀，整體呈先增大后減小趨勢。當(dāng)D=5m時，曲線的“雙駝峰”不明顯，說明此時PVC混凝土柱承擔(dān)了較大上覆巖層荷載；當(dāng)D=10m時，σv開始出現(xiàn)相對明顯的“雙駝峰”現(xiàn)象，σv達(dá)到最大值18.37MPa。當(dāng)D=25m時，煤柱(體)垂直應(yīng)力的雙峰值均為16.46MPa。隨著工作面距空巷距離D的不斷增大，σv呈現(xiàn)的“雙駝峰”現(xiàn)象越來越明顯，且σv的峰值呈現(xiàn)出現(xiàn)緩慢減小的趨勢。

圖6 工作面距空巷距離與圍巖垂直應(yīng)力之間的關(guān)系

2.4 圍巖位移分析

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，分析工作面距空巷距離與空巷頂?shù)装逡平恐g的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可知，PVC混凝土柱支護(hù)后，頂?shù)装逡平匡@著減小。當(dāng)工作面距空巷為10～25m時，頂?shù)装逡平匡@著增大。阻燃PVC混凝土柱支護(hù)前，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?27mm。阻燃PVC混凝土柱支護(hù)后，頂板應(yīng)力向阻燃PVC混凝土柱轉(zhuǎn)移，頂板位移顯著減小，最大值為129mm，減小了70%。當(dāng)D>25m或D<10m時，頂?shù)装逡平俾蕼p緩，幾乎呈水平線。因此，PVC混凝土柱支護(hù)應(yīng)至少在超前距離大于25m時進(jìn)行施工。數(shù)值計算結(jié)果表明，阻燃PVC混凝土柱過空巷技術(shù)可有效減小巷道變形量。

圖7 工作面距空巷距離與頂?shù)装逡平恐g的關(guān)系

2.5 圍巖塑性區(qū)分布特征

選取與工作面平行的巷道作為研究對象，巷道距工作面距離約為25m。阻燃PVC混凝土柱支護(hù)前后塑性區(qū)分布特征如圖8所示。由圖8可知，阻燃PVC混凝土柱支護(hù)后空巷圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小，塑性區(qū)主要分布在巷道頂部及靠近工作面一側(cè)。其中，靠近工作面一側(cè)塑性區(qū)范圍減小較為明顯，相對而言，遠(yuǎn)離工作面一側(cè)塑性區(qū)范圍雖有所降低但差別不大。說明阻燃PVC混凝土柱支護(hù)后有效減小了煤柱的塑性區(qū)范圍，降低了煤柱承受的上覆巖層應(yīng)力。同時，阻燃PVC混凝柱也存在一定的塑性區(qū)，主要分布在柱子中上部，表明頂板應(yīng)力向阻燃PVC混凝土柱轉(zhuǎn)移。這是因?yàn)橄鄬γ后w而言，PVC混凝土柱彈性模量較大，在相同變形量的前提下，其受到的頂板應(yīng)力也較大。

圖8 阻燃PVC混凝土柱支護(hù)前后塑性區(qū)分布特征

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在工程實(shí)踐中，當(dāng)回采工作面過同層與工作面推進(jìn)方向平行的空巷時，一般情況下不需要采取加強(qiáng)支護(hù)措施，僅需對局部頂板壓力大、破碎、淋水、大斷面、片幫嚴(yán)重、高頂?shù)葏^(qū)域采取補(bǔ)打錨索、木垛等支護(hù)措施。但采區(qū)保護(hù)煤柱回采工作面屬于孤島工作面，兩邊均為窄煤柱，為保證施工安全，在實(shí)際施工時，在平行或斜交巷道與空巷的交叉點(diǎn)處可根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)PVC混凝土柱，一般再增設(shè)4根，如圖9所示。

圖9 阻燃PVC混凝土柱布置(mm)

當(dāng)回采工作面過平行或斜交巷道時，為保證工作面的安全高效回采，根據(jù)前面的數(shù)值計算結(jié)果，布設(shè)直徑為1.2m、柱凈距為2m的阻燃PVC混凝土柱。以漳村煤礦采區(qū)煤柱回收工作面中的某一典型的平行巷道為研究對象，提前在空巷均勻布置7個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置在空巷頂?shù)装逯虚g位置。采用GUD5礦用本安型位置傳感器測量頂?shù)装宓囊平?，測量數(shù)據(jù)取平均值。同時，采用傳統(tǒng)“錨索+木垛”支護(hù)作為對比，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 工作面距空巷距離與頂?shù)装逡平恐g的關(guān)系

由圖10可知，隨著工作面向空巷的不斷推進(jìn)，頂?shù)装逡平肯仍龃蠛筅呌诜€(wěn)定。當(dāng)工作面距空巷距離D在10m至25m之間時，頂?shù)装逡平匡@著增加，規(guī)律與FLAC3D計算結(jié)果吻合較好。與傳統(tǒng)“錨索+木垛”支護(hù)效果相比，PVC混凝土柱的頂?shù)装逡平枯^小，支護(hù)效果整體較好。究其原因，PVC混凝土柱能夠提供較大的支護(hù)阻力，且混凝土彈性模量較木垛大，能夠有效限制頂?shù)装宓淖冃巍?/p>

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然傳統(tǒng)的“錨索+木垛”支護(hù)措施也基本可以保證工作面的安全回采，但在實(shí)際工程應(yīng)用中效果并不理想，該措施支護(hù)阻力較小，需被動壓縮接頂，且在拆除、回收木垛時不僅危險而且耗時，無法保證工作面的回采速度。PVC混凝土柱支護(hù)不僅施工便捷，可采用高強(qiáng)纖維柔摸主動接頂，人工成本較低，而且安全高效，有望成為未來回采工作面安全高效過空巷的主要方法之一。

4 結(jié) 論

1)采用FLAC3D對阻燃PVC混凝土柱支護(hù)過空巷柱凈距進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮安全和施工成本等因素，柱凈距為2m時較為合理。

2)通過數(shù)值模擬分析阻燃PVC混凝土柱支護(hù)過空巷的圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布特征可知，隨著工作面向空巷不斷推進(jìn)，頂?shù)装逡平肯仍龃蠛筅呌诜€(wěn)定，圍巖垂直應(yīng)力整體呈先增大后減小趨勢。PVC混凝土柱支護(hù)后，圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小，主要分布在巷道頂部及靠近回采工作面一側(cè)。

3)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，PVC混凝土墩柱可提供較大的支護(hù)阻力，能夠有效控制空巷的變形，保證回采工作面的安全高效回采。