石窟煤礦沿空掘巷煤柱寬度及支護(hù)研究

宋海龍

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)三元石窟煤業(yè)有限公司 山西長(zhǎng)治047500）

1 引言

沿空掘巷技術(shù)可以減少浪費(fèi)，改善應(yīng)力條件并提高采出率，得到越來(lái)越多的應(yīng)用?，F(xiàn)有研究中，王衛(wèi)軍[3]以砌體梁理論為基礎(chǔ)，建立力學(xué)模型，推到了頂板煤巖層變形為力的分量表達(dá)式。劉金海[4]等采用數(shù)值模擬和工程類(lèi)比等方法，確定了沿空掘巷側(cè)向媒體破碎范圍。受地質(zhì)條件、地應(yīng)力、開(kāi)采技術(shù)的影響，煤礦開(kāi)采難度越來(lái)越大，出現(xiàn)了沿空掘巷圍巖礦壓顯現(xiàn)劇烈、破壞范圍大、井巷變形大等問(wèn)題，本文以石窟煤礦為背景，對(duì)沿空掘巷的的煤柱優(yōu)化進(jìn)行深入研究，以期為類(lèi)似條件的礦井圍巖控制提供一定的參考。

3 護(hù)巷煤柱受力及破壞機(jī)理分析

煤柱的主要作用是將沿空巷道和上工作面的采空區(qū)隔絕開(kāi)來(lái)。上工作面回采工作結(jié)束后，形成采空區(qū)，導(dǎo)致上覆巖層在重力的影響之下直接作用在采空區(qū)。基本頂在沿空巷道采掘影響之下發(fā)生斷裂，斷裂之后的巖石和實(shí)體煤形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)起到支承作用。上覆巖層的結(jié)構(gòu)和受力情況決定煤柱的狀態(tài)，當(dāng)采掘工作結(jié)束后，上覆巖層應(yīng)力進(jìn)入到新的平衡當(dāng)中。在應(yīng)力不變的情況下，煤柱寬度將直接影響上覆巖層的應(yīng)力分布，在留設(shè)煤柱護(hù)巷的條件下，煤柱較寬情況下中間會(huì)形成一定支撐能力的彈性核區(qū)，在兩邊由于關(guān)鍵塊垮落形成塑性區(qū)，整體應(yīng)力體現(xiàn)為中間小兩邊大，呈現(xiàn)雙駝峰狀；較窄時(shí)，應(yīng)力均勻分布，曲線呈現(xiàn)馬蹄狀。具體如圖1所示。

圖1 煤柱垂直應(yīng)力分布曲線圖

前一個(gè)工作面采過(guò)后，由于采掘擾動(dòng)使采場(chǎng)上部巖層出現(xiàn)應(yīng)力重新分布的情況，工作面前方的一定范圍內(nèi)煤巖體以及和采空區(qū)鄰近的煤巖體中出現(xiàn)應(yīng)力集中，臨采空區(qū)一側(cè)的煤柱在水平方向支承力的作用下，發(fā)生塑性變形及破壞，支承壓力對(duì)煤體深部產(chǎn)生作用，持續(xù)至支承壓力最大值和煤柱極限強(qiáng)度達(dá)到平衡，同時(shí)，煤柱靠近下一工作面回采巷道一側(cè)由于巷道掘進(jìn)使煤柱邊緣發(fā)生塑性變形和破壞，在下工作面開(kāi)采過(guò)程中，煤柱受到超前支承壓力的影響，所承載的載荷增大，煤柱被塑性區(qū)貫通穩(wěn)定性不斷下降。

如圖2所示，因煤層頂?shù)装鍘r層層理均勻，性狀穩(wěn)定煤柱與頂?shù)装褰佑|不受軟弱層影響，同時(shí)該礦巷道應(yīng)用錨桿錨索及金屬網(wǎng)支護(hù)，煤柱兩邊皆受到側(cè)向力的約束，這樣符合理論中發(fā)生塑性流動(dòng)破壞的情況。

圖2 煤柱變形破壞示意圖

2 地質(zhì)狀況

石窟煤礦開(kāi)采煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單。根據(jù)工作面前期勘察情況及順槽開(kāi)挖反映情況，30106工作面平均埋深290 m，煤層厚度約為5.33 m～6.68 m，平均6.19 m。煤層傾角2°～6°，平均傾角為4°，屬較軟煤層，其普式系數(shù)為2，工作面煤層綜合柱狀圖見(jiàn)圖3。該工作面掘進(jìn)斷面凈寬4.0 m，凈高2.9 m。

圖3 工作面煤層綜合柱狀圖

4 數(shù)值模擬分析

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行分析，以山西石窟煤礦30106工作面為工程背景進(jìn)行建模。模型在上面施加均布荷載，地面固定其位移，其余邊界固定其側(cè)向位移。建立模型如圖4所示。

圖4 模型示意圖

由圖5采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律可以看出，隨著巷道掘進(jìn)的向前推進(jìn)，采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力逐漸平緩，其變形也由于穩(wěn)定的殘余支承應(yīng)力的保護(hù)下二逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

（1）隨著30106工作面的向前推進(jìn)，圍巖原有的穩(wěn)定平衡狀況被打破，應(yīng)力在新的環(huán)境中從新進(jìn)行分布，從而在頂?shù)装逄幮纬尚秹簠^(qū)，在工作面?zhèn)认蛎后w深部形成了應(yīng)力集中區(qū)。

（2）在30106工作面回采結(jié)束后，0 m～4 m的范圍之內(nèi)，支承應(yīng)力由12.5 MPa急速增加至支承應(yīng)力峰值46.9 MPa，增幅達(dá)到73.34%，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.69左右；在4 m～10 m的范圍內(nèi)，支承壓力由46.9 MPa快速降低到37.6 MPa，減幅達(dá)到了24.73%；之后支承應(yīng)力變化緩慢，曲線較為平緩。因此，上區(qū)段30106工作面采空區(qū)邊沿約60 m內(nèi)的距離的垂直應(yīng)力都比原巖應(yīng)力值要高，屬于應(yīng)力升高區(qū)。綜合以上分析可知，沿空井巷的布置不能完全規(guī)避高應(yīng)力區(qū)，所以需要對(duì)煤柱的寬度進(jìn)行優(yōu)化，選出最合理的寬度，才能維持井巷的穩(wěn)定。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算可得30106工作面不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布圖，具體見(jiàn)圖6。在沿空井巷開(kāi)挖結(jié)束后，圍巖應(yīng)力重新分布，并逐漸達(dá)到新?tīng)顟B(tài)下的平衡。不同煤柱寬度條件下，由于沿空掘巷兩幫圍巖應(yīng)力開(kāi)始向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致井巷這兩個(gè)部位頂?shù)装鍛?yīng)力集中，同時(shí)隨著煤柱寬度的增大，煤柱垂直應(yīng)力逐漸由對(duì)稱(chēng)型慢慢變?yōu)槠d型，也即垂直應(yīng)力向鄰近采空區(qū)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)移。煤柱寬度由6 m增大到10 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值由28.4 MPa快速增大到56.1 MPa，之后煤柱應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定。在10 m左右時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力在煤柱中心，成對(duì)稱(chēng)式分布，在14 m左右時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力在遠(yuǎn)離采空區(qū)側(cè)偏小，不對(duì)稱(chēng)性逐漸增大。

圖6 不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布云圖

由以上分析可知，護(hù)巷煤柱寬度若過(guò)小，對(duì)整體圍巖的穩(wěn)定性不利，整體承載能力較小，隨著寬度的增加，圍巖變形量會(huì)減小。當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)彈性核區(qū)，對(duì)煤柱上方的覆巖起到承載作用，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。由此可知，護(hù)巷保護(hù)煤柱的合理寬度為10 m。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

30106工作面沿空煤巷頂板、兩幫的支護(hù)參數(shù)如表1和表2所示，支護(hù)方案如圖7所示。

圖7 支護(hù)方案

表1 頂板支護(hù)參數(shù)

表2 巷道兩幫支護(hù)參數(shù)

將模擬方案用于現(xiàn)場(chǎng)，所得監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示

圖8 井巷圍巖收斂情況

由圖8可知，井巷圍巖較為穩(wěn)定：在井巷開(kāi)始掘進(jìn)之后，圍巖變形開(kāi)始劇烈變化，在前10天變化速度最快，之后的40天內(nèi)，變化速度逐漸放緩，但仍保持上升趨勢(shì)。在50天之后，圍巖位移開(kāi)始不再變化，逐漸向穩(wěn)定狀態(tài)靠近。在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期中，頂?shù)装宓奈灰谱兓家葍蓭偷奈灰谱兓。谟^測(cè)結(jié)束以后，兩幫的最終變形量為98 mm，頂?shù)装宓奈灰谱兓繛?5 mm。在前10天，井巷剛開(kāi)始開(kāi)挖，原巖應(yīng)力遭到破壞，井巷的頂?shù)装搴蛢蓭臀灰瓶焖僮兓?0天之后擾動(dòng)效應(yīng)變?nèi)?，原巖變化的速率放緩但仍然有向內(nèi)變化的趨勢(shì)。開(kāi)挖50天以后，井巷逐漸成型，支護(hù)措施完善，井巷處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀況，此時(shí)井巷圍巖幾乎無(wú)變化。變形控制較好，在合理范圍之內(nèi)。相較于模擬來(lái)說(shuō)，變形較大一些，究其原因是由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜導(dǎo)致變形也會(huì)大一些。

6 結(jié)論

本文以山西三元石窟煤礦30106工作面為研究對(duì)象，對(duì)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析與控制進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，主要結(jié)論為：

（1）煤柱較寬情況下中間會(huì)形成一定支撐能力的彈性核區(qū)，在兩邊由于關(guān)鍵塊垮落形成塑性區(qū)，整體應(yīng)力體現(xiàn)為中間小兩邊大，呈現(xiàn)雙駝峰狀；較窄時(shí)，應(yīng)力均勻分布，曲線呈現(xiàn)馬蹄狀

（2）護(hù)巷煤柱寬度若過(guò)小，對(duì)整體圍巖的穩(wěn)定性不利，整體承載能力較小，隨著寬度的增加，圍巖變形量會(huì)減小。當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)彈性核區(qū)，對(duì)煤柱上方的覆巖起到承載作用，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。護(hù)巷保護(hù)煤柱的合理寬度為10 m。