墩柱加柔膜式沿空留巷護(hù)巷墩柱合理參數(shù)研究

撖書一

（潞安化工集團(tuán)王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031）

采用墩柱加柔膜式沿空留巷技術(shù)時(shí)，在巷旁柔膜充填體還未能有效承載前，墩柱起到支撐上覆圍巖與隔離采空區(qū)的作用［1］。因此，墩柱在柔膜未能承載前對(duì)保障沿空留巷巷道的安全起到至關(guān)重要的作用。王莊煤礦91-209工作面采用數(shù)值模擬和理論分析的方法對(duì)巷旁墩柱的合理參數(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程背景

王莊煤礦91-209工作面回采3#煤，煤層埋深524～554 m，煤層平均厚度為7.37 m。91-209工作面北為91-208設(shè)計(jì)工作面，南為二崗山斷層，西為實(shí)體煤，東接540皮帶巷。工作面運(yùn)輸順槽全長(zhǎng)2 493 m；回風(fēng)順槽作為91-102工作面的一條順槽全長(zhǎng)2 612 m（采用沿空留巷復(fù)用），均沿3#煤層底板掘進(jìn)。91-209工作面風(fēng)順槽斷面為矩形，巷道凈寬5 500 mm，煤幫凈高3 600 mm，巷道斷面凈面積為19.8 m2。沿空留巷方式采用墩柱加柔膜式沿空留巷，為保障巷道安全性，提升經(jīng)濟(jì)效益，需根據(jù)91-209工作面巷道實(shí)際情況研究并選取合理的墩柱參數(shù)。

2 巷旁墩柱參數(shù)數(shù)值模擬研究

2.1 巷旁護(hù)巷墩柱參數(shù)研究方法

（1）研究方法

綜放工作面沿空留巷不僅受超前采動(dòng)支承壓力的影響，也受工作面?zhèn)认蝽敯逯С袎毫Φ挠绊?，沿空留巷圍巖變形伴隨著應(yīng)力、位移等的演化，其圍巖應(yīng)力的變化情況是復(fù)雜動(dòng)態(tài)且呈三維變化，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)困難，誤差較大。因此，利用FLAC3D三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，監(jiān)測(cè)沿空留巷圍巖位移、應(yīng)力的演化規(guī)律。FLAC3D通過(guò)將研究對(duì)象進(jìn)行分單元和網(wǎng)格化表示，能夠?qū)r土工程材料的相關(guān)力學(xué)應(yīng)變進(jìn)行求解，從而按照相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析其所產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)。該方法是目前常用的巖土工程模擬軟件［2］。

（2）模型建立

建立工作面及其兩道數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=205 m×128 m×46 m，整個(gè)模型有352 800個(gè)單元和369 984個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型里混凝土采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，鋼管采用應(yīng)變軟化模型，變形模式為大變形，上覆載荷q計(jì)算如式（1）［3］。

式中：γ為上覆載荷層平均容重；25 kN/m3；H為上覆載荷層厚度，400 m。帶入計(jì)算得上覆載荷q=10 MPa。模型四周為滑移邊界，底部為固定邊界，頂部加載模擬上覆巖層重量。

觀測(cè)不同參數(shù)巷旁墩柱的位移、應(yīng)力的情況，選取合理的巷旁墩柱參數(shù)。以相鄰工作面沿空留巷護(hù)巷墩柱尺寸為參照，先以間距2.0 m為基礎(chǔ)，對(duì)直徑分別為1.0 m、1.2 m和1.4 m的墩柱應(yīng)力進(jìn)行研究，再在最優(yōu)直徑的基礎(chǔ)上，研究間距在2.0～3.0 m時(shí)護(hù)巷墩柱的應(yīng)力情況。

2.2 墩柱直徑研究

（1）1.0 m直徑墩柱

工作面每隔4個(gè)護(hù)巷墩柱開(kāi)挖一次并計(jì)算至平衡，取墩柱應(yīng)力穩(wěn)定階段的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析。不同直徑巷旁支護(hù)墩柱應(yīng)力云圖如圖1所示。

圖1 不同直徑巷旁支護(hù)墩柱應(yīng)力云圖

由圖1可知，工作面推進(jìn)至120～140 m的范圍內(nèi)，采用直徑為1.0 m的墩柱后，墩柱垂直應(yīng)力穩(wěn)定在36 MPa不再增加，巷道整體處于穩(wěn)定階段。采用直徑為1.2 m的墩柱時(shí)，巷道受采動(dòng)影響減小，在巷內(nèi)支護(hù)、墩柱以及采空區(qū)矸石共同承擔(dān)作用下，墩柱垂直應(yīng)力穩(wěn)定在34 MPa不再增加，巷道整體處于穩(wěn)定階段。采用直徑為1.4 m的墩柱時(shí)，墩柱垂直應(yīng)力穩(wěn)定在31 MPa不再增加，巷道整體處于穩(wěn)定階段，同時(shí)可以看出繼續(xù)增大墩柱尺寸后，可以進(jìn)一步減小墩柱應(yīng)力。

綜上所述，增加墩柱尺寸雖可以減小垂直應(yīng)力，但墩柱尺寸的增加也將造成施工的不便以及資源的浪費(fèi)，因此在考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)以及安全適用性的情況，1.2 m直徑為巷旁護(hù)巷墩柱的最優(yōu)尺寸［4］。

2.3 墩柱間距研究

以護(hù)巷墩柱最優(yōu)直徑1.2 m為基礎(chǔ)，分析護(hù)巷墩柱間距在2.0～3.0 m情況下，巷旁護(hù)巷墩柱支護(hù)阻力變化規(guī)律。不同墩柱間距巷道圍巖應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 不同墩柱間距巷道圍巖應(yīng)力分布

由圖4可知，墩柱間距從2.0 m增加至3.0 m過(guò)程中，頂板屈服點(diǎn)數(shù)量明顯增加，頂板塑性區(qū)發(fā)育深度增大。從應(yīng)力云圖來(lái)看，隨著墩柱間距的增加，頂板塑性區(qū)發(fā)育深度增加。從塑性區(qū)分布來(lái)看，間距在2.6 m以下，塑性區(qū)范圍較小，可有效保證巷道安全。因此，護(hù)巷墩柱間距宜控制在2.4～2.6 m之間。

3 應(yīng)用效果檢驗(yàn)

3.1 數(shù)值模擬檢驗(yàn)

從安全及經(jīng)濟(jì)的方面考慮，91-209工作面沿空留巷鋼管混凝土墩柱間距取2.4 m，墩柱直徑取1.2 m。在該種情況下，對(duì)超前支護(hù)段、留巷段、留巷穩(wěn)定段頂板的垂直及水平方向的應(yīng)力進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 垂直應(yīng)力云圖

由圖3可知，隨著工作面推進(jìn)，實(shí)體煤幫側(cè)向支承應(yīng)力相對(duì)于工作面一側(cè)較大，工作面前方10 m位置處支承應(yīng)力達(dá)到峰值，支承應(yīng)力峰值約為27.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.58。工作面前方巷道直接頂垂直應(yīng)力較低，隨著工作面的推進(jìn)，工作面后方巷道直接頂應(yīng)力逐漸增加，至留巷穩(wěn)定段時(shí)，豎向垂直應(yīng)力最大約為0.6 MPa。頂板巖層巖性為中粒砂巖，由巖樣力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，頂板巖層抗拉強(qiáng)度為3.7 MPa，抗壓強(qiáng)度為32 MPa，在當(dāng)前的支護(hù)方案下，巷道頂板較穩(wěn)定。

圖4 水平應(yīng)力云圖

由圖4可知，隨著工作面推進(jìn)，應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力增高區(qū)位于煤體深部3 m范圍內(nèi)，且迎頭距離越遠(yuǎn)的應(yīng)力峰值越大。這也相當(dāng)于應(yīng)力重新分配過(guò)程隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力峰值逐漸增加的過(guò)程。在工作面后方留巷穩(wěn)定段范圍內(nèi)，隨著巷道支承壓力逐漸減小減弱，到煤體深部一定距離處轉(zhuǎn)入原巖應(yīng)力狀態(tài)，即原巖應(yīng)力區(qū)，處于原巖應(yīng)力狀態(tài)的巷道圍巖處于穩(wěn)定階段，巷道穩(wěn)定安全［5］。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

采用直徑1.2 m，間距2.4 m的巷旁護(hù)巷墩柱后，為驗(yàn)證護(hù)巷墩柱的應(yīng)用效果，在91-209工作面后方留巷段內(nèi)每隔30 m布設(shè)1個(gè)表面位移測(cè)站（共3個(gè)測(cè)站），監(jiān)測(cè)沿空留巷巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平?，?#測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如表1所示。

表1 3#測(cè)站頂?shù)装寮皟蓭鸵平拷y(tǒng)計(jì)

由表1可知，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平吭谇?5 d時(shí)變形速率最大，在25 d以后，頂?shù)装寮皟蓭鸵平恐饾u穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平繛?74 mm，兩幫最大移近量為182 mm，巷道圍巖變形穩(wěn)定，巷道最大斷面收斂量為9.1%（＜10%），巷道圍巖變形控制在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1）91-209工作面沿空留巷巷旁護(hù)巷墩柱的最優(yōu)間距在2.4～2.6 m之間，墩柱的最優(yōu)直徑為1.2 m。

2）綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益以及安全適用性等情況，91-209工作面回風(fēng)順槽沿空留巷巷旁護(hù)巷墩柱間距取2.4 m、直徑取1.2 m。

3）采用合理的護(hù)巷墩柱設(shè)計(jì)方案后，數(shù)值模擬顯示沿空留巷巷道較穩(wěn)定安全，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)頂?shù)装遄畲笠平繛?74 mm，巷道圍巖變形穩(wěn)定。