程 蓬，馬晨晶，何 杰，李育鵬

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 新景礦，山西 陽泉 045000)

沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采過后，沿著采空區(qū)邊緣留設(shè)一定煤柱尺寸后掘進(jìn)下一工作面的回采巷道，相對(duì)于沿空留巷和二次復(fù)用巷道，沿空掘巷巷道支護(hù)和維護(hù)難度相對(duì)容易，因此我國(guó)很多礦區(qū)主要采用沿空掘巷的開采方法。但是，隨著沿空掘巷技術(shù)的推廣和應(yīng)用，仍然存在大量巷道變形嚴(yán)重，支護(hù)難度高的問題，為此國(guó)內(nèi)外針對(duì)沿空留巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)、煤柱尺寸留設(shè)和巷道圍巖控制等方面進(jìn)行了諸多研究?？导t普院士團(tuán)隊(duì)[1]分析了沿空掘巷煤柱寬度與巷道圍巖變形的關(guān)系，提出了小煤柱合理寬度設(shè)計(jì)方法，并在潞安、陽泉、邢臺(tái)等地進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；柏建彪等[2]研究了綜采沿空掘巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，對(duì)巷道掘進(jìn)前后煤柱應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析；王衛(wèi)軍等[3]采用砌體梁力學(xué)理論，研究了綜放沿空巷道頂煤力學(xué)模型，分析了頂煤下沉量與支護(hù)強(qiáng)度、煤體彈模、巷道寬度的關(guān)系；趙國(guó)貞等[4]建立沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析了巷道穩(wěn)定性各影響因素間的相互關(guān)系；王永等[5]提出煤柱穩(wěn)定核區(qū)，認(rèn)為穩(wěn)定核區(qū)的范圍要在煤柱寬度的一半以上，從而保證煤柱的穩(wěn)定性。另外，還有很多專家學(xué)者開展了大量的研究[6-8]。

本文在總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)陽泉礦區(qū)沿空掘巷埋藏深度大，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，巷道支護(hù)難度高的問題，通過在回采工作面回風(fēng)巷兩側(cè)布置煤體應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析工作面回采全過程煤體應(yīng)力分布和變化規(guī)律，為后續(xù)煤柱尺寸選取和巷道支護(hù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)，為類似條件下巷道布置和支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

1.1 礦井基本概況

新景煤礦設(shè)計(jì)能力4.5Mt/a，位于沁水煤田東北部，煤層貯藏穩(wěn)定，含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組，主采煤層3號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、15號(hào)，屬于多煤層聯(lián)合開采。15028工作面井下位于新景礦15號(hào)煤一采區(qū)東南部，如圖1所示，工作面東部為三礦礦界，南部為15029工作面(未掘)，西為15029工作面(未采)，北部為80212工作面(2014年12月回采結(jié)束)，工作面煤柱凈尺寸為20m。

圖1 新景礦15028工作面巷道布置平面

1.2 巷道圍巖條件

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘探，結(jié)合鉆孔資料，確定新景礦15號(hào)煤層頂?shù)装鍑鷰r條件如下：

(1)主采煤層：15號(hào)煤層，俗稱“丈八煤”，賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度在5.57～7.81m范圍內(nèi)，平均厚度6.66m，含兩層夾矸，上部煤層強(qiáng)度偏低，下部強(qiáng)度相對(duì)較高。

(2)頂板：15號(hào)煤層頂板主要是由泥巖和石灰?guī)r交替組成，泥巖強(qiáng)度低，易破碎，厚度大約在1.0m，石灰?guī)r強(qiáng)度相對(duì)較高，圍巖穩(wěn)定性好。

(3)底板：15號(hào)煤層直接底砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.9m，強(qiáng)度低，遇水易軟化膨脹。

1.3 煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

為掌握15028工作面煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，2016年新景礦采用煤炭科學(xué)研究總院研發(fā)的井下原位地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試技術(shù)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，圖2為15028工作面煤頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)，圖3為15028工作面頂板圍巖強(qiáng)度測(cè)試曲線，通過圍巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，測(cè)試位置頂煤厚度2.8m，煤體裂隙發(fā)育，強(qiáng)度17.01MPa，上部為1m泥巖和煤層互層，完整性差，之上為2.7m的石灰?guī)r，完整性好，存在方解石巖脈，強(qiáng)度111.91MPa，上部為1.5m的泥巖，強(qiáng)度34.89MPa，再上部為厚度超過1.2m的石灰?guī)r，強(qiáng)度110.86MPa。對(duì)15號(hào)煤層15028工作面巷道圍巖地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位測(cè)試。地應(yīng)力測(cè)試顯示，測(cè)試區(qū)域深度600.1m，垂直主應(yīng)力15.03MPa，最大水平主應(yīng)力16.95MPa，最小水平主應(yīng)力8.69MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|80.8°。

圖2 頂板圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)

圖3 頂板圍巖強(qiáng)度測(cè)試曲線

2 煤柱應(yīng)力數(shù)值模擬分析

2.1數(shù)值模型

根據(jù)15028綜放工作面地質(zhì)條件和巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用三維有限差分軟件FLCD3D建立數(shù)值計(jì)算模型，模型參數(shù)采用1.3中煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，模型長(zhǎng)×寬×高=300m×70m×50m，四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。建立3種不同計(jì)算模型，將臨近回采工作面和15028工作面煤柱尺寸分別設(shè)定為10m，20m和30m，首先開挖臨近工作面形成采空區(qū)后，對(duì)沿空留巷巷道進(jìn)行開挖，對(duì)比分析全過程不同煤柱條件下沿空掘巷巷道圍巖應(yīng)力及變形對(duì)比特征。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4為在10m，20m和30m煤柱尺寸條件下，15028回風(fēng)巷圍巖及煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布情況。受臨近80212采空區(qū)回采動(dòng)壓影響，15028回風(fēng)巷及工作面附近煤巖體應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)均發(fā)生很大的變化，且隨著煤柱尺寸的不同圍巖應(yīng)力差異顯著。

對(duì)比不同煤柱尺寸沿空掘巷巷道垂直應(yīng)力和頂板下沉量數(shù)據(jù)，如圖5所示，當(dāng)煤柱尺寸為10m，20m和30m時(shí)，煤柱峰值應(yīng)力分別為41.7MPa，37.2MPa和37.3MPa，煤柱應(yīng)力分別降低10.8%和10.5%。與此同時(shí)，當(dāng)煤柱尺寸為10m，20m和30m時(shí)，對(duì)應(yīng)沿空留巷巷道頂板下沉量分別為330.0mm，171.8mm和114mm，巷道頂板下沉量分別降低47.9%和33.6%。隨著煤柱尺寸的增加，煤柱應(yīng)力和巷道變形量均有所降低，說明沿空掘巷巷道受臨近工作面回采動(dòng)壓影響程度進(jìn)一步降低，當(dāng)煤柱尺寸增加到一定程度后，煤柱峰值應(yīng)力降低不明顯，但是由于煤柱尺寸的增加，沿空掘巷距離峰值應(yīng)力距離的加大，巷道變形量進(jìn)一步降低。

圖4 不同煤柱尺寸條件下煤柱應(yīng)力分布狀態(tài)

圖5 不同煤柱尺寸15028回風(fēng)巷垂直應(yīng)力和頂板下沉量對(duì)比

3 煤柱應(yīng)力狀態(tài)實(shí)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案

在15028回風(fēng)巷布置煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站，如圖6所示，測(cè)站位置距離開切眼100m，采用ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計(jì)，配合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。工作面?zhèn)葞秃兔褐鶐透鞑贾?個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別為2m，4m，6m，8m，10m和12m，煤柱應(yīng)力計(jì)安裝時(shí)距離地面高度1.3m。安裝流程包括：打孔，鉆孔應(yīng)力計(jì)推送至指定深度，打壓，接線，初讀數(shù)等環(huán)節(jié)。

圖6 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

15028回風(fēng)巷工作面?zhèn)葞痛怪睉?yīng)力變化如圖7所示。隨15028工作面回采，工作面?zhèn)葞痛怪睉?yīng)力隨深度呈現(xiàn)顯著變化規(guī)律，2m和4m測(cè)點(diǎn)煤體垂直應(yīng)力呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)，其中2m測(cè)點(diǎn)降幅5.9MPa，4m測(cè)點(diǎn)降幅3.1MPa，說明巷道煤壁淺部煤體破壞更加嚴(yán)重，隨著深度增加，破壞程度逐漸降低。6m和8m測(cè)點(diǎn)煤柱垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增后減再增的變化特征，其中6m測(cè)點(diǎn)增幅0.8MPa，8m測(cè)點(diǎn)增幅3.1MPa，此時(shí)8m測(cè)點(diǎn)處煤體較為完整。深部10m和12m測(cè)點(diǎn)煤柱垂直應(yīng)力呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，其中10m測(cè)點(diǎn)增幅3.5MPa，12m測(cè)點(diǎn)增幅10.6MPa，煤柱應(yīng)力增幅十分顯著，此時(shí)煤柱進(jìn)入彈性區(qū)。綜合分析，隨著測(cè)點(diǎn)深度的增大，15028回風(fēng)巷工作面?zhèn)葞兔褐饾u從塑性破壞區(qū)轉(zhuǎn)移至彈性區(qū)，煤體完整性逐漸變好，此時(shí)增加煤柱尺寸有利于巷幫煤幫保持完整，對(duì)于巷幫維護(hù)較為有利。

圖7 15028回風(fēng)巷工作面?zhèn)葞痛怪睉?yīng)力實(shí)測(cè)曲線

15028回風(fēng)巷煤柱側(cè)幫垂直應(yīng)力變化如圖8所示。隨15028工作面回采，煤柱側(cè)幫垂直應(yīng)力隨深度呈現(xiàn)較大差異特征。2m測(cè)點(diǎn)煤柱垂直應(yīng)力變化穩(wěn)定，基本保持不變。4m測(cè)點(diǎn)煤柱垂直應(yīng)力逐步降低，降幅2.1MPa。6m測(cè)點(diǎn)煤柱垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先降后增的變化規(guī)律。8m測(cè)點(diǎn)前期波動(dòng)不明顯，當(dāng)距離工作面50m后，受力波動(dòng)變化大，在距離工作面7m時(shí)達(dá)到峰值15.3MPa，后持續(xù)降低。10m測(cè)點(diǎn)前期受力穩(wěn)定，在距離工作面37m時(shí)由于管路漏油，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。12m測(cè)點(diǎn)煤柱垂直應(yīng)力平穩(wěn)，在距離工作面42m后開始呈現(xiàn)波動(dòng)增加，在距離工作面14m位置達(dá)到峰值34.2MPa，后續(xù)降低。分析可見，煤柱側(cè)幫煤柱應(yīng)力受力波動(dòng)明顯，這主要是由于煤柱受本工作面回采和臨近采空區(qū)雙重因素影響。

圖8 15028回風(fēng)巷煤柱側(cè)幫垂直應(yīng)力實(shí)測(cè)曲線

4 結(jié) 論

(1)隨煤柱尺寸增加，沿空留巷巷道煤柱應(yīng)力和巷道變形量持續(xù)降低，當(dāng)煤柱尺寸增加到一定程度后，圍巖應(yīng)力降低不明顯，此時(shí)增加煤柱尺寸，巷道圍巖應(yīng)力降幅不大，但巷道變形量繼續(xù)顯著降低。

(2)沿空掘巷巷道工作面?zhèn)葞痛怪睉?yīng)力受臨近采空區(qū)影響相對(duì)較小，受本工作面回采影響顯著，不同深度煤層應(yīng)力變化規(guī)律明顯，當(dāng)深度超過8m后從塑性區(qū)開始進(jìn)入彈性區(qū)，垂直應(yīng)力持續(xù)增大。

(3)沿空掘巷巷道采煤柱側(cè)幫受本工作面回采和臨近采空區(qū)影響顯著，煤柱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，垂直應(yīng)力峰值高，應(yīng)力波動(dòng)顯著，易導(dǎo)致煤柱幫變形大，需針對(duì)性地加強(qiáng)煤柱幫支護(hù)強(qiáng)度。