楔形護(hù)巷煤柱沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究
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崔滿堂1 毛傳森2 王少楠2 李春霄1 譚 興1
（1．中國礦業(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，22111 6；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)中圖分類號(hào) TD353
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。
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×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7m。
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)算以莫爾一庫侖( 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。
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越近，導(dǎo)致回采巷道實(shí)體煤側(cè)變形越來越大；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��；當(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。
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2m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6m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。
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，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)力長時(shí)間作用，回采巷道兩側(cè)圍巖均較為破碎�；夭上锏谰蜻M(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)。
