楔形護(hù)巷煤柱沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究?

崔滿堂毛傳森王少楠李春霄譚 興（.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，6；.皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司百善煤礦，安徽省淮北市，3554）

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★煤炭科技·開拓與開采★

楔形護(hù)巷煤柱沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究?

崔滿堂1毛傳森2王少楠2李春霄1譚 興1
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司百善煤礦，安徽省淮北市，235154）

摘 要基于百善煤礦北大巷煤柱孤島工作面現(xiàn)場(chǎng)具體地質(zhì)條件及生產(chǎn)情況，通過采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)楔形護(hù)巷煤柱沿空掘巷回采巷道受工作面超前支承應(yīng)力影響過程中巷道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明不同護(hù)巷煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力分布差異較大，最終導(dǎo)致巷道變形有較大的不同，針對(duì)這種差異，提出在同一條巷道內(nèi)不同區(qū)段采用相對(duì)應(yīng)的支護(hù)方式及加固措施才能保證工作面的正常回采。

關(guān)鍵詞楔形煤柱 沿空掘巷 圍巖應(yīng)力 巷道變形 巷道支護(hù)

百善煤礦隸屬皖北煤電集團(tuán)公司，已開采40多年，由于百善煤礦儲(chǔ)量已近枯竭，現(xiàn)主要回采大巷保護(hù)煤柱。為節(jié)省煤炭資源，提高煤炭回收率，礦井采用沿空掘巷方式布置回采巷道。由于大巷保護(hù)煤柱邊界不規(guī)整，在布置孤島工作面時(shí)沿空掘巷所留設(shè)護(hù)巷煤柱形狀不規(guī)整，多為楔形，這使得巷道圍巖應(yīng)力分布有較大差異，加大了沿空掘巷巷道圍巖控制的難度。現(xiàn)基于北大巷煤柱孤島工作面風(fēng)巷具體地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬對(duì)楔形護(hù)巷煤柱沿空掘巷回采巷道受工作面超前支承應(yīng)力影響過程中巷道圍巖變形情況進(jìn)行了分析研究，在此基礎(chǔ)上重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了新的支護(hù)方式，研究結(jié)果可為其他類似礦區(qū)孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制提供指導(dǎo)。

1　沿空掘巷地質(zhì)條件

北大巷煤柱工作面位于北部集中運(yùn)輸巷兩翼，西側(cè)靠近6812、6811、6810、689、688采空區(qū)；北側(cè)靠近6410、64北部煤柱采空區(qū)；東側(cè)靠近646、645、644采空區(qū)；南側(cè)靠近68南翼煤柱、624采空區(qū)。工作面位置關(guān)系如圖1所示。該工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)858～891 m，傾斜寬83～139 m。北大巷煤柱工作面主采6#煤層，煤層平均煤厚2.8 m，傾角4°～14°，煤層底板賦存標(biāo)高為－198.3～－153.2 m，該區(qū)域煤厚變異系數(shù)為5%，煤層可采性指數(shù)為1。該煤層偽頂為灰黑色碳質(zhì)泥巖，厚0.2 m；直接頂為深灰色粉砂巖，厚4.1～7.6 m；老頂為深灰色細(xì)砂巖、粗粉砂巖，厚5.6～9.6 m；直接底為灰黑色粉砂巖，厚3.4～10 m。

圖1　北大巷煤柱工作面位置關(guān)系

北大巷煤柱工作面風(fēng)巷和機(jī)巷均采用留設(shè)窄煤柱沿空掘巷形式，巷道設(shè)計(jì)為梯形斷面，采用工字鋼棚架支護(hù)。

2　模型建立

為了掌握楔形保護(hù)煤柱沿空掘巷回采巷道受工作面超前支承應(yīng)力影響過程中圍巖應(yīng)力分布特征及巷道變形情況，采用大型數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)北大巷煤柱工作面沿空掘巷回采巷道受工作面超前支承應(yīng)力影響過程中巷道變形情況進(jìn)行了分析，根據(jù)北大巷煤柱工作面具體地質(zhì)條件和生產(chǎn)情況，建立了對(duì)應(yīng)的三維計(jì)算模型。模型尺寸為320 m ×230 m×38.8 m（長(zhǎng)×寬×高）。開采煤層厚度2.8 m，垮落法一次采全高，頂板巖層厚度29 m，底板巖層厚度7 m。

模型的邊界條件:頂面（z=38.8 m）為應(yīng)力邊界，施加5.575 MPa等效載荷，相當(dāng)于上覆223 m厚巖重，所采煤層的埋深為240 m，其余5面均為法向位移約束，側(cè)壓系數(shù)為1.0，計(jì)算前對(duì)各個(gè)巖層的應(yīng)力完成初始化。模型運(yùn)算以莫爾－庫(kù)侖（Mohr-Coulumb）準(zhǔn)則作為判別覆巖破壞的依據(jù)。

3　模擬結(jié)果及分析

本次模型開挖依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采順序，首先進(jìn)行646工作面開采，待煤層頂板穩(wěn)定后開掘回采巷道（風(fēng)巷和機(jī)巷），最后進(jìn)行煤柱工作面的開采。本次模擬主要分析研究楔形護(hù)巷煤柱沿空掘巷回采巷道受煤柱工作面超前支承應(yīng)力影響過程中巷道圍巖變形情況。工作面開采過程如圖2所示。

圖2　模型開挖過程

通過數(shù)值模擬得出煤柱工作面回采過程中不同護(hù)巷煤柱寬度處回采巷道圍巖變形情況，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。通過巷道變形曲線可以看出，工作面超前支承應(yīng)力對(duì)不同護(hù)巷煤柱寬度下的回采巷道影響不同。

隨著護(hù)巷煤柱寬度的減小，回采巷道頂板變形量逐漸增大，而底板變形量先增大后減小，護(hù)巷煤柱寬度為6～8 m時(shí)，底板變形量最大。其主要原因是隨著護(hù)巷煤柱寬度變小，側(cè)向應(yīng)力峰值距離回采巷道越來(lái)越近，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為6～8 m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力峰值位于回采巷道處，與工作面超前支承應(yīng)力逐步疊加，圍巖應(yīng)力環(huán)境顯著惡化，底板巖層的彈塑性變形、兩幫垂直應(yīng)力擠壓、高應(yīng)力作用下底板巖層的流變性均顯著影響巷道底鼓。

隨著護(hù)巷煤柱寬度的減小，護(hù)巷煤柱側(cè)變形量先增大后減小再增大，原因主要是隨著護(hù)巷煤柱寬度減小，側(cè)向應(yīng)力峰值向工作面?zhèn)绒D(zhuǎn)移，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為12～16 m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力峰值主要位于護(hù)巷煤柱側(cè)，隨著應(yīng)力峰值距離回采巷道越來(lái)越近，導(dǎo)致回采巷道實(shí)體煤側(cè)變形越來(lái)越大；當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為4～6 m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移到回采巷道實(shí)體煤側(cè)，對(duì)回采巷道護(hù)巷煤柱側(cè)影響相對(duì)減小，導(dǎo)致回采巷道護(hù)巷煤柱側(cè)變形較?。划?dāng)護(hù)巷煤柱寬度為2 m時(shí)，回采巷道變形較大，原因主要是由于護(hù)巷煤柱變窄，巷道上方頂板回轉(zhuǎn)失穩(wěn)對(duì)煤柱影響較大，導(dǎo)致回采巷道護(hù)巷煤柱側(cè)變形增大。

圖3　不同保護(hù)煤柱寬度下巷道變形情況

隨著護(hù)巷煤柱寬度的減小，實(shí)體煤側(cè)變形量逐漸增大，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為2 m時(shí)，實(shí)體煤側(cè)變形量相對(duì)減小，原因主要是隨著護(hù)巷煤柱寬度減小，側(cè)向應(yīng)力峰值向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，距離回采巷道實(shí)體煤側(cè)越來(lái)越近，導(dǎo)致回采巷道實(shí)體煤側(cè)變形量加大，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度小于6 m時(shí)，隨著應(yīng)力峰值向?qū)嶓w煤側(cè)深部轉(zhuǎn)移，距離回采巷道越來(lái)越遠(yuǎn)，導(dǎo)致回采巷道實(shí)體煤側(cè)變形量相對(duì)減小。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得出巷道變形受側(cè)向應(yīng)力影響較大。隨著護(hù)巷煤柱寬度減小，巷道整體變形逐漸加大，但是巷道兩幫和頂?shù)装遄冃我?guī)律不同，為合理支護(hù)巷道，不同護(hù)巷煤柱寬度處需采用不同的巷道支護(hù)參數(shù)，以達(dá)到更好的支護(hù)效果。

4　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為了進(jìn)一步了解楔形護(hù)巷煤柱巷道變形情況，選取百善煤礦北大巷保護(hù)煤柱工作面風(fēng)巷進(jìn)行巷道表面變形觀測(cè)，風(fēng)巷為梯形斷面，斷面尺寸為4100（3200）mm×2400 mm（寬×高），采用工字鋼架棚支護(hù)，棚距750 mm。本次觀測(cè)共設(shè)置兩個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置兩個(gè)斷面，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)站一處護(hù)巷煤柱寬8.5 m，測(cè)站二處護(hù)巷煤柱寬3.4 m，隨工作面推進(jìn)，兩個(gè)測(cè)站處巷道變形情況如圖4所示。圖4顯示，護(hù)巷煤柱寬為8.5 m處護(hù)巷煤柱側(cè)變形量小于護(hù)巷煤柱寬為3.4 m處護(hù)巷煤柱側(cè)變形量，分析原因主要是由于護(hù)巷煤柱寬為3.4 m處煤柱較窄，煤體破碎，煤柱承載能力較小，導(dǎo)致護(hù)巷煤柱3.4 m寬處護(hù)巷煤柱側(cè)變形量較大。兩個(gè)測(cè)站處實(shí)體煤側(cè)、頂板、底板所測(cè)數(shù)據(jù)分別相差不大，與數(shù)值模擬規(guī)律相符，基本確定采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力峰值距離采空區(qū)邊界的距離大于8.5 m。

圖4　巷道實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)圖

5　巷道圍巖控制變形對(duì)策

5.1 控制原則

基于以上分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以得出北大巷保護(hù)煤柱工作面回采巷道破壞原因主要是由于保護(hù)煤柱邊緣受采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力作用時(shí)間長(zhǎng)，煤體破碎；同時(shí)隨工作面的推進(jìn)，工作面超前支承壓力作用于回采巷道兩側(cè)的煤體上，與側(cè)向應(yīng)力相互疊加使煤體受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重；但是根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，由于煤層基本頂較厚，巷道頂板完整，而且煤層埋深較淺，所以對(duì)頂板的管理相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，加強(qiáng)巷道的巷幫支護(hù)，減小巷道的側(cè)向位移成為支護(hù)重點(diǎn)。根據(jù)北大巷保護(hù)煤柱的實(shí)際情況提出在不同護(hù)巷煤柱寬度區(qū)段內(nèi)采用相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)方式。

目前百善煤礦回采巷道所采用的的支護(hù)方式為工字鋼棚架支護(hù)，由于工字鋼支護(hù)無(wú)法在巷道掘進(jìn)時(shí)對(duì)巷道圍巖提供一定的預(yù)緊力，只能在巷道變形期間對(duì)巷道圍巖提供被動(dòng)支護(hù)，導(dǎo)致巷道圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育，圍巖松動(dòng)圈進(jìn)一步發(fā)展，巷道維護(hù)更加困難?，F(xiàn)結(jié)合礦上實(shí)際生產(chǎn)條件，依據(jù)主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合原理和讓壓與加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合原理對(duì)回采巷道進(jìn)行支護(hù)控制，決定采用錨架注聯(lián)合支護(hù)。

5.2 沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)護(hù)巷煤柱寬度與巷道變形情況，針對(duì)不同護(hù)巷煤柱寬度處的巷道進(jìn)行了不同支護(hù)設(shè)計(jì)。

區(qū)段一:保護(hù)煤柱寬度大于15 m，采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力對(duì)回采巷道影響較小，回采巷道采用11#工字鋼棚架支護(hù)，棚距650 mm。

區(qū)段二:保護(hù)煤柱寬度為12～15 m，采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力對(duì)護(hù)巷煤柱側(cè)影響較大，所以需對(duì)護(hù)巷煤柱側(cè)巷幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。巷道掘進(jìn)前對(duì)護(hù)巷煤柱側(cè)煤體進(jìn)行超前預(yù)注漿加固處理，巷道整體采用11#工字鋼棚架支護(hù)，同時(shí)在煤柱側(cè)采用錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；對(duì)巷道頂板采用單體支護(hù)加強(qiáng)支護(hù)措施。

區(qū)段三:保護(hù)煤柱寬度小于12 m，采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤側(cè)，但是由于采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力長(zhǎng)時(shí)間作用，回采巷道兩側(cè)圍巖均較為破碎。回采巷道掘進(jìn)前對(duì)巷道兩幫均進(jìn)行超前預(yù)注漿加固處理，巷道整體采用11#工字鋼棚架支護(hù)，同時(shí)兩幫采用錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；巷道頂板采用兩排單體支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Study on the strata pressure behavior law of gob-side entry with wedge-shaped chain pillar

Cui Mantang1，Mao Chuansen2，Wang Shaonan2，Li Chunxiao1，Tan Xing1
（1.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China，School of Mines，China University of Mining& Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.Baishan Coal Mine，Wanbei Coal-Electricity Group Co.，Ltd.，Huaibei，Anhui 235154，China）

AbstractBased on the on-site geological conditions and production status of isolated working face in coal pillar of north main entry in Baishan Coal Mine，deformation law of surrounding rocks of mining roadway driving along next goaf with wedge-shaped chain pillar under the influence of advanced bearing pressure of working face was analyzed and studied by numerical simulation software FLAC 3D. The results showed that different chain pillar widths caused different stress distributions in surrounding rocks and different deformations of roadway. Aiming at the differences，it was put forward that corresponding support patterns and reinforcement measures should be adopted in the different sections of a roadway for the safety mining of working face.

Key wordswedge-shaped chain pillar，road driving along next goaf，surrounding rock stress，roadway deformation，roadway support

中圖分類號(hào)TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

基金項(xiàng)目：?國(guó)家自然科學(xué)基金（51304199）

作者簡(jiǎn)介：崔滿堂（1990－），男，碩士研究生，主要從事工作面礦壓規(guī)律和巷道圍巖控制研究。