彭林軍 周光華 宋振騏 王金平 何維勝

(1.大連大學(xué)院士創(chuàng)業(yè)園，遼寧省大連市，116622；2.國能寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏自治區(qū)銀川市，750011；3.國能寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司羊場灣煤礦，寧夏自治區(qū)銀川市，750011)

近年來,無(小)煤柱巷道在我國取得了較大的發(fā)展[1-3]。隨著煤礦開采強(qiáng)度和深度的增加，沿空掘巷小煤柱巷道受二次采動動壓影響更為劇烈。因此，研究在不同采動條件下，掌握以“巖層運(yùn)動和支承壓力分布”為核心[4-11]，建立其動態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)由大煤柱護(hù)巷的傳統(tǒng)開采系統(tǒng)向無(小)煤柱護(hù)巷開采體系的變革,是煤礦開采圍巖破裂災(zāi)變機(jī)理及其控制的關(guān)鍵。

我國學(xué)者針對采動巷道圍巖控制問題，進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作[12-15]，豐富了采動巷道圍巖控制理論,解決了大量的小煤柱巷道圍巖控制問題；但對于大采高綜放開采煤柱尺寸對采動巷道的影響程度以及小煤柱異型巷道產(chǎn)生非均勻大變形的力學(xué)本質(zhì)仍需進(jìn)一步研究，要為小煤柱巷道找到更加合理的支護(hù)方案[16-18]。本文針對羊場灣煤礦小煤柱巷道非均勻大變形控制難題,研究沿空留設(shè)6 m小煤柱時，回風(fēng)巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)與應(yīng)力分布規(guī)律以及采場覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動特征，揭示了小煤柱巷道非均勻變形的機(jī)理，提出具有針對性的控制對策并進(jìn)行井下試驗(yàn)，對支護(hù)效果進(jìn)行評價。

1 礦井工作面概況

130205工作面位于羊場灣一號井田東部，地形低緩平坦，起伏不大，地表為沙丘覆蓋，開采2#煤層，工作面寬度350 m，埋深650 m，煤厚8.2～10.7 m，平均煤厚8.4 m。2#煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂為粉砂巖、細(xì)砂巖，其上部為中砂巖、細(xì)砂巖。

130205風(fēng)巷開口位于13采區(qū)回風(fēng)下山，機(jī)巷開口位于13采區(qū)膠運(yùn)下山，按設(shè)計(jì)方位349°施工。130205工作面上鄰130203工作面(截至2015年1月19日，工作面已回采完畢)，130205風(fēng)巷與130203機(jī)巷原留設(shè)35 m保安煤柱；工作面北以F201正斷層為界，南側(cè)以13采區(qū)井筒保安煤柱為界，130205工作面下部為原始煤層未進(jìn)行采動，無采掘活動影響工作面掘進(jìn)。距離130205工作面最近鉆孔柱狀圖為1916#鉆孔，如圖1所示；1916#鉆孔柱狀巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 130205工作面(1916#)鉆孔柱狀圖

表1 130205工作面(1916#)鉆孔巖石力學(xué)參數(shù)

2 小煤柱沿空掘巷計(jì)算模型建立

數(shù)值模型中，各層巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù)表1取值。模型的前后、左右邊界施加水平約束，模型的底邊界施加水平及垂直約束，根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計(jì)算網(wǎng)格，考慮到模型單元總數(shù)的限制和對小煤柱沿空巷道圍巖應(yīng)力分析進(jìn)行區(qū)域集中性研究，建立數(shù)值模擬模型如圖2所示。工作面與風(fēng)巷數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖2 三維數(shù)值模型網(wǎng)格圖

圖3 工作面與風(fēng)巷數(shù)值計(jì)算模型

3 風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 風(fēng)巷掘進(jìn)期間穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

由地層變形云圖和巖體位移矢量圖可以看出，風(fēng)巷掘進(jìn)期間，風(fēng)巷周圍巖體變形逐漸增大，尤其是拱頂附近變形值最大，風(fēng)巷掘進(jìn)至距開切眼350 m時，風(fēng)巷附近變形最大值為114.4 mm。拱頂往上延伸，地層變形收斂幅度很快，向巖體內(nèi)延伸5 m 后，圍巖變形基本在10 mm以內(nèi)。底部最大隆起量約45 mm，由于斷面異形，兩側(cè)邊墻呈現(xiàn)明顯的變形不對稱分布。掘進(jìn)期間風(fēng)巷小煤柱幫最大變形為45 mm，實(shí)體煤幫最大變形為158 mm；頂板下沉量為114 mm，底鼓量為75 mm。巖體塑性區(qū)分布圖見圖4。

圖4 風(fēng)巷掘進(jìn)350 m巖體塑性區(qū)分布圖

風(fēng)巷掘進(jìn)期間巖體垂直應(yīng)力SZZ(表示巖體最大垂直應(yīng)力)和水平應(yīng)力SXX(表示巖體最大水平應(yīng)力)分布如圖5所示。

由圖5可知，巖體垂直應(yīng)力SZZ分布：風(fēng)巷兩幫應(yīng)力大于頂部和底部，高應(yīng)力區(qū)最大應(yīng)力33.13 MPa，高應(yīng)力區(qū)邊緣距離風(fēng)巷7 m左右，高應(yīng)力區(qū)核心距離風(fēng)巷8.5 m左右；巖體水平應(yīng)力SXX分布， 6 m煤柱在130203工作面幫的頂部SXX應(yīng)力較大，最大值為19.76 MPa。在現(xiàn)有支護(hù)條件下，圍巖未出現(xiàn)明顯較大的拉應(yīng)力，風(fēng)巷整體穩(wěn)定性較好。

3.2 回采期間圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

130205工作面回采期間三維數(shù)值示意圖見圖6。

3.2.1回采期間工作面超前支承壓力分析

對130205工作面回采期間工作面超前支承壓力分析如圖7所示。

圖5 風(fēng)巷掘進(jìn)期間巖體應(yīng)力分布圖

圖6 工作面數(shù)值模型開挖圖

回采期間工作面超前煤壁0～4 m為塑性區(qū)、低應(yīng)力區(qū)，4～10 m為塑性區(qū)、高應(yīng)力區(qū)，10～14 m為應(yīng)力峰值區(qū)，14～50 m為應(yīng)力高值區(qū)、緩降區(qū)?；夭善陂g工作面超前支承壓力分布如圖8所示。

3.2.2 回采期間工作面處圍巖應(yīng)力分布圖

回采期間工作面處巖體應(yīng)力分布見圖9。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，6 m小煤柱中心處SZZ最大，應(yīng)力值達(dá)8.05 MPa；巖體應(yīng)力SXX主要在6 m小煤柱上部，尤其是靠近130203開采區(qū)上部，最大值為23.55 MPa。另外，應(yīng)力計(jì)算表明，現(xiàn)有支護(hù)條件下，風(fēng)巷受二次動壓影響，圍巖并未出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū)(壓應(yīng)力為負(fù)值，拉應(yīng)力為正值)，6 m小煤幫側(cè)主要受壓，只是在小煤柱煤幫出現(xiàn)較小范圍的拉應(yīng)力區(qū)，其他部位拉應(yīng)力仍小于1.0 MPa，這說明現(xiàn)有支護(hù)條件下，回采期間工作面處6 m小煤柱能夠保持整體穩(wěn)定性。

圖7 回采工作面超前支承壓力及塑性區(qū)分布圖

圖8 回采期間工作面超前支承壓力分布曲線圖

3.2.3 回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)

回采期間應(yīng)力峰值處圍巖塑性區(qū)分布見圖10。由圖10可知，靠近巷道實(shí)體煤幫回采期間塑性區(qū)并未明顯擴(kuò)展，片幫深度約0.3 m。在小煤柱側(cè)幫的剪切和拉伸塑性區(qū)深度約0.8 m，回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷變形計(jì)算結(jié)果也表明小煤柱側(cè)幫變形較大，最大值為560 mm，因此，回采期間應(yīng)力峰值處小煤柱側(cè)幫鼓幫深度約0.6 m。

回采期間應(yīng)力峰值圍巖變形趨勢見圖11。從圖11可以看出，風(fēng)巷不僅僅在實(shí)體煤幫和6 m煤柱之間存在相對移近變形，在風(fēng)巷頂部和6 m煤柱之間也發(fā)生了相對變形，如圖11(a)箭頭所示，風(fēng)巷頂部和6 m煤柱間夾角會變小，如圖11(b)藍(lán)色的圈表示，以夾角為中心，越遠(yuǎn)離夾角位置的巖體變形趨勢會越大。

圖9 風(fēng)巷回采期間巖體應(yīng)力分布圖

回采期間應(yīng)力峰值處巖體變形位移矢量圖見圖12。由圖12可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷周圍巖體變形逐漸增大，6 m小煤柱幫變形明顯增大，在靠近小煤柱幫深度2.5 m范圍以內(nèi)，風(fēng)巷頂?shù)装逡平繛?30 mm，其中頂板下沉量為460 mm，底鼓量為270 mm。兩幫移近量為870 mm，其中小煤柱幫為560 mm，實(shí)體煤幫為310 mm。回采期間6 m小煤柱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力會增大，需要重點(diǎn)對6 m小煤柱進(jìn)行加固。

圖10 回采期間應(yīng)力峰值處巖體塑性區(qū)分布圖

圖11 回采期間應(yīng)力峰值圍巖變形趨勢

3.2.4 回采期間應(yīng)力峰值處風(fēng)巷穩(wěn)定性分析

回采期間工作面處煤層開采巖體塑性區(qū)分布圖與裂隙發(fā)展區(qū)域示意圖見圖12，大采高工作面推進(jìn)過程中，工作面煤壁在支承壓力作用下，沿推進(jìn)方向在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生破壞。

因此，根據(jù)煤層開采巖體最大應(yīng)力云圖的分布特點(diǎn)以及相對應(yīng)的煤層塑性區(qū)分布圖，計(jì)算得到的煤壁片幫情況如下：

(1)130205開采面?zhèn)? m煤壁(圖中I區(qū))深度0～2.0 m為拉伸和剪切塑性區(qū)，為典型的鼓出形式破壞，在支承壓力作用下，煤體自身強(qiáng)度的降低導(dǎo)致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片幫；

(2)130203開采面6 m小煤柱(圖中II區(qū))深度0～1.5 m為拉伸和剪切塑性區(qū)，在支承壓力作用下，煤體自身強(qiáng)度降低導(dǎo)致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片幫；

(3)風(fēng)巷實(shí)體煤壁(圖中III區(qū))深度0～2.5 m和頂部深度范圍內(nèi)，巖體破碎較嚴(yán)重，存在剝落趨勢；

(4)6 m小煤柱中心2.0～4.5 m范圍內(nèi)盡管部分煤層進(jìn)入塑性區(qū)，但主要為剪切塑性區(qū)，最小主應(yīng)力為壓應(yīng)力，并不存在片幫，巖體破碎程度不劇烈。

綜合分析表明，6 m小煤柱中心處約有1.5 m是非破碎區(qū)。

圖12 巖體塑性區(qū)分布圖與裂隙重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬分析得出，小煤柱風(fēng)巷巖體塑性區(qū)范圍為0～10 m，高應(yīng)力區(qū)范圍為10～14 m；14～50 m為應(yīng)力高值區(qū)、緩降區(qū)。130205沿空巷道區(qū)段煤柱留設(shè)6 m寬度在塑形區(qū)范圍內(nèi)，尺寸合理。

(2)風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂?shù)装逡平?89 mm，兩幫移近量203 mm?；夭善陂g工作面峰值處，風(fēng)巷頂?shù)装逡平?30 mm，兩幫移近量870 mm。6 m小煤柱中心處約有1.5 m是非破碎區(qū)。

(3)區(qū)段煤柱應(yīng)在滿足安全生產(chǎn)的前提下，盡量減少煤柱寬度，從而將回采巷道完全布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，更有利于巷道的維護(hù)、煤柱的穩(wěn)定性，達(dá)到安全高效生產(chǎn)。