和樹棟

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

“十二五”以來，隨著煤礦機械化、智能化進(jìn)程的大幅推進(jìn)，礦井的開采規(guī)模、效率顯著提升，采掘銜接持續(xù)緊張的局面時常存在。綜放開采工藝經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，在頂煤破碎機理、采場礦壓演變規(guī)律、圍巖運移特征、巷道穩(wěn)定性控制等方面取得了諸多成果[1]。上區(qū)段工作面回采與下區(qū)段工作面掘進(jìn)同時施工的方式很好地緩解了采掘接續(xù)失衡的狀況，但也出現(xiàn)了窄煤柱尺寸如何選取及受多次動壓擾動巷道穩(wěn)定性如何控制等新的難題，煤柱尺寸過大容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成煤炭資源浪費，煤柱尺寸太小則會造成巷道控制難度增加。多年來國內(nèi)外科研人員針對窄煤柱尺寸的選取尚未達(dá)成共識，國內(nèi)沿空巷道窄煤柱多在2.0～6.0 m寬度之間，部分產(chǎn)煤省份及礦區(qū)也存在留設(shè)10～30 m煤柱的情況[2-3]。國外一些產(chǎn)煤國家則認(rèn)為留設(shè)煤柱尺寸應(yīng)至少滿足15 m以上[4]。煤柱合理尺寸選取也形成了現(xiàn)場類比分析、經(jīng)驗公式估算、數(shù)值模擬分析等方法[5]。沿空巷道的穩(wěn)定性控制則對煤柱尺寸、支護(hù)參數(shù)提出了更高的要求，如若對巷旁煤柱尺寸、支護(hù)設(shè)計參數(shù)選取不合理，或者對現(xiàn)場觀測的分析不到位，往往會造成圍巖穩(wěn)定性得不到保證，進(jìn)而直接影響下一區(qū)段的正產(chǎn)生產(chǎn)[6]。因此，本文針對平煤十三礦綜放工作面沿空掘巷窄煤柱尺寸及圍巖穩(wěn)定性控制問題，研究了煤柱尺寸與圍巖運動特征之間的規(guī)律，優(yōu)選得到了窄煤柱合理尺寸并針對性地設(shè)計了動壓巷道支護(hù)參數(shù)，同時對支護(hù)方案進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用與圍巖觀測驗證，觀測結(jié)果顯示合理的煤柱留設(shè)尺寸及支護(hù)參數(shù)取得了較好的圍巖控制效果。開展綜放工作面窄煤柱尺寸選取及圍巖穩(wěn)定性研究對于煤礦節(jié)約煤炭資源、保障安全生產(chǎn)等具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

平煤十三礦己四采區(qū)布置為單翼布置采區(qū)，己15-17-14020工作面是己四采區(qū)首采面，為緩解當(dāng)前礦井存在的采掘銜接失衡的狀況，在該工作面回采過程中同時施工下區(qū)段的14040風(fēng)巷工作面。

己15-17-14020工作面煤層平均埋深710 m，煤層平均厚度5.7 m，傾角9°，工作面采高3 m，綜采放頂煤工藝開采，全部垮落法處理頂板。區(qū)段風(fēng)巷、機巷斷面均為矩形，巷寬4.6 m，巷高3.2 m。相鄰上下兩個區(qū)段通過留設(shè)一定寬度的煤柱，在己四采區(qū)首采面14020回采的同時，施工下區(qū)段14040風(fēng)巷。在巷道掘進(jìn)過程中受己15-17-14020綜放工作面采動超前應(yīng)力與采動滯后應(yīng)力的影響，巷道圍巖及煤柱的穩(wěn)定性決定了沿空掘巷的成功與否。采區(qū)工作面布置情況如圖1所示。

圖1 采區(qū)工作面布置圖Fig.1 Layout of working face in mining area

2 煤柱尺寸與圍巖運動特征分析

在類似條件下經(jīng)驗煤柱寬度的基礎(chǔ)上，選取了三組不同尺寸(3 m、5 m、10 m)的煤柱，模擬分析對應(yīng)的圍巖運動特征，結(jié)合理論計算與施工經(jīng)驗最終得到合理窄煤柱尺寸。

2.1 不同煤柱尺寸下圍巖運動特征

依據(jù)現(xiàn)場實際井巷工程布置、煤巖層賦存、煤巖體物理力學(xué)參數(shù)等工況條件，采用FLAC3D軟件建立模擬分析模型，模型尺寸為200 m×120 m×90 m，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，模型煤巖層參數(shù)見表1。模型左右及下部邊界選取位移邊界，并將上覆巖層自重15.25 MPa均勻施加于模型頂部。選用FLAC3D空單元依據(jù)工作面實際參數(shù)模擬開挖，并分別留設(shè)不同尺寸煤柱。

表1 模型煤巖層參數(shù)Table 1 Model coal and rock parameters

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model mesh generation

圖3 圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of ertical stress of surrounding rock

根據(jù)現(xiàn)場14020回采工作面及14040風(fēng)巷實際尺寸進(jìn)行開挖并運行至穩(wěn)定，提取不同煤柱尺寸對應(yīng)的應(yīng)力場、塑性區(qū)、變形量、煤柱最大應(yīng)力等圍巖運動特征相關(guān)數(shù)據(jù)。不同煤柱尺寸對應(yīng)的巷道圍巖垂直應(yīng)力場、塑性區(qū)分布分別如圖3和圖4所示，不同煤柱尺寸對應(yīng)的巷道表面位移量、煤柱最大應(yīng)力對比如圖5所示。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zone of surrounding rock

圖5 巷道表面位移量、煤柱最大應(yīng)力對比Fig.5 Comparison of roadway surface displacementand coal pillar maximum stress

分析模擬結(jié)果得到以下幾點規(guī)律：①鄰近回采工作面采動應(yīng)力影響使得三種尺寸的煤柱均受剪切破壞，全部處于塑性狀態(tài)；②煤柱寬度為3 m、5 m、10 m時對應(yīng)的最大應(yīng)力分別為13.5 MPa、24.6 MPa、45.1 MPa，煤柱尺寸的增加使得煤柱的載荷能力得到提升，應(yīng)力演變逐步由實體煤一側(cè)的高應(yīng)力向煤柱高應(yīng)力過渡；③煤柱寬度為3 m、5 m、10 m時對應(yīng)的巷道頂板塑性區(qū)高度分別為12 m、8 m、3 m，頂板塑性區(qū)發(fā)育高度逐漸減小主要是由于煤柱寬度增加使得煤柱載荷增大，應(yīng)力分布趨向平衡穩(wěn)定；④5 m煤柱寬度對應(yīng)的巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃温示鶠?0.9%，且斷面收縮率僅為20.6%，5 m煤柱對應(yīng)的巷道斷面保持最好，穩(wěn)定性最高。

綜合模擬結(jié)果分析，窄煤柱寬度5 m時能夠達(dá)到安全、經(jīng)濟的雙重目的，是該條件下綜放工作面窄煤柱的最優(yōu)工況選擇。

2.2 煤柱合理尺寸確定

工作面?zhèn)认蚧卷斊茢嗍侵冈诠ぷ髅嫱七M(jìn)過程中垂直于工作面推進(jìn)方向，發(fā)生在采空區(qū)上方、巷道上方或者煤柱上方，側(cè)向基本頂達(dá)到強度極限時造成的斷裂[7]。工作面?zhèn)认蚧径〝嗔盐恢脤γ褐侠沓叽绲倪x取是極其重要的，窄煤柱應(yīng)布置在側(cè)向基本頂斷裂位置之內(nèi)，進(jìn)而使得煤柱承載的載荷相對較小。工作面?zhèn)认蚧卷敂嗔盐恢镁嗝罕诘木嚯xx0可用式(1)計算[8]。

(1)

結(jié)合平煤十三礦己15-17-14020工作面基本條件參數(shù)及煤體物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，式(1)中各參數(shù)取值結(jié)果見表2。

表2 參數(shù)取值表Table 2 Parameter value table

將參數(shù)取值代入式(1)計算得到x0=9.6 m，該工況下14020的機巷寬度為4.6 m，則窄煤柱寬度≤5.0 m即可滿足窄煤柱布置在側(cè)向基本頂斷裂位置之內(nèi)，進(jìn)而使得煤柱承載的載荷相對較小。結(jié)合類似工程條件下國內(nèi)綜放工作面窄煤柱通常選取的經(jīng)驗值為4.0～6.0 m[9]，理論計算結(jié)果與現(xiàn)場經(jīng)驗相符。

綜合煤柱尺寸選取模擬分析、基本頂斷裂位置理論計算、施工經(jīng)驗值等結(jié)果，5 m寬度煤柱已經(jīng)具備一定的承載能力，又處于工作面?zhèn)认蚧卷敂嗔盐恢靡詢?nèi)，減弱了支承壓力影響，對巷道圍巖變形控制較為有利，最終確定平煤十三礦己四采區(qū)己15-17-14040風(fēng)巷與己15-17-14020工作面最優(yōu)窄煤柱留設(shè)尺寸為5.0 m即可滿足安全生產(chǎn)需求。

3 沿空巷道支護(hù)設(shè)計及控制效果模擬

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

結(jié)合煤礦現(xiàn)場工況的實際情況，為使支護(hù)體系能夠適應(yīng)采前、采后帶來的巷道圍巖大變形、高應(yīng)力、塑性區(qū)范圍大等特點，設(shè)計采用“錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)”的組合支護(hù)體系進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性控制。

根據(jù)常用支護(hù)理論計算得到支護(hù)基本參數(shù)如下：錨桿長度為2.4 m，直徑為20 mm，間排距為0.9 m×1.0 m，巷道兩幫及頂板各布置錨桿8根、5根，預(yù)緊力不小于50 kN；錨索長度為5.7 m，直徑為17.8 mm，間隔2排錨桿布置1排錨索，錨索預(yù)緊力不低于80 kN?？拷褐粋?cè)的錨索以偏向15°的角度進(jìn)行布置，以此達(dá)到控制采空區(qū)頂板、優(yōu)化煤柱載荷的目的。巷道支護(hù)斷面如圖6所示。

圖6 巷道支護(hù)斷面圖Fig.6 Roadway support section

3.2 巷道控制效果

將所設(shè)計的支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于前述數(shù)值模擬模型，選取己15-17-14040風(fēng)巷無支護(hù)、有支護(hù)兩種情況且同一斷面處受相鄰工作面采動超前影響和采動滯后影響的巷道表面位移進(jìn)行比較分析，不同支護(hù)狀態(tài)下采動超前影響階段與采動滯后影響階段的巷道表面移近量結(jié)果如圖7所示。

分析對比圖7中不同支護(hù)狀態(tài)下不同階段巷道表面移近量結(jié)果，在超前影響階段有支護(hù)、無支護(hù)兩種工況條件下對應(yīng)的巷道斷面收縮率分別為7.3%、11.8%；在采動滯后影響階段有支護(hù)、無支護(hù)兩種工況條件下對應(yīng)的巷道斷面收縮率分別為19.4%、55.0%。受采動應(yīng)力場影響，無支護(hù)條件下巷道斷面收縮率高達(dá)55.0%，巷道變形嚴(yán)重已達(dá)不到使用要求；有支護(hù)條件巷道斷面收縮率控制在20%以內(nèi)，沿空巷道圍巖控制效果較好，能夠滿足后續(xù)使用要求，這也證明所設(shè)計的支護(hù)參數(shù)能夠滿足支護(hù)要求。

圖7 不同支護(hù)狀態(tài)下不同階段巷道表面移近量對比Fig.7 Comparison of roadway surface approach indifferent stages under different support conditions

4 沿空巷道控制效果現(xiàn)場實測

為更好地把控巷道支護(hù)效果，并及時反饋支護(hù)信息，選用中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研制生產(chǎn)的GUJ60礦用本安型頂?shù)装逡平考す鈧鞲衅鲗?5-17-14040風(fēng)巷進(jìn)行了巷道表面位移觀測，傳感器主要用于煤礦巷道頂板及兩幫圍巖變形情況的監(jiān)測，監(jiān)測量程為0～60 m。

4.1 測站布置

根據(jù)現(xiàn)場條件確定觀測站的布置方案，觀測站布置如圖8所示。連續(xù)觀測相鄰工作面累計推進(jìn)60余米，該觀測階段結(jié)束時，己15-17-14020工作面已經(jīng)推進(jìn)通過測站Ⅰ位置，但尚未到達(dá)測站Ⅱ、測站Ⅲ位置。

圖8 巷道表面位移測站布置Fig.8 Layout of displacement measuring stationson roadway surface

4.2 巷道變形監(jiān)測結(jié)果及分析

隨著14020工作面的推進(jìn)，分別記錄三個測站的頂?shù)装逡平?、兩幫移近量，并對移近量?shù)據(jù)進(jìn)行處理得到移近速度曲線。圖9為觀測階段測站Ⅰ、測站Ⅱ、測站Ⅲ表面位移量和位移速度觀測結(jié)果。在觀測階段末期，測站Ⅲ表面位移量已基本不再明顯增大，雖仍有微小變形，日均變形量為1 mm左右波動，可以認(rèn)為基本達(dá)到穩(wěn)定。

圖9 測站表面位移量及速度觀測結(jié)果Fig.9 Observation results of displacement and velocity on the surface of the station

分析三個觀測站巷道表面位移量數(shù)據(jù)可得出以下幾點規(guī)律：①在距離工作面前方15 m左右位置，測站Ⅰ、測站Ⅱ巷道表面位移速度達(dá)到最大值，由此表明在距離工作面15 m位置處受相鄰回采工作面采動超前應(yīng)力影響最為劇烈；②測站Ⅰ后期觀測數(shù)據(jù)已基本趨于穩(wěn)定，表明巷道支護(hù)設(shè)計能夠很好地適應(yīng)工作面采動滯后影響，巷道圍巖控制效果較好；③測站Ⅲ所觀測移近量數(shù)據(jù)在距離工作面60 m位置出現(xiàn)分界點，該位置之前巷道表面位移變化平穩(wěn)，在該位置之后巷道表面位移快速增加，兩幫移近速度出現(xiàn)最大值，由此推測工作面超前支承壓力范圍在60 m左右。

此外，通過現(xiàn)場觀測，測站Ⅰ受采動超前應(yīng)力及滯后應(yīng)力影響后的巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在360 mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在110 mm左右，其斷面收縮率僅為13.5%，可以達(dá)到后續(xù)工作面的使用要求，沿空巷道支護(hù)設(shè)計是比較成功的。

5 結(jié) 論

1) 窄煤柱尺寸直接決定著煤柱的承載能力，進(jìn)而影響巷道頂板塑性區(qū)的發(fā)育程度，煤柱寬度5 m時巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃温示鶠?0.9%，且斷面收縮率最小，結(jié)合理論計算、施工經(jīng)驗最終確定此工況條件下煤柱寬度選取為5 m。

2) 動壓巷道采用“錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)”的組合支護(hù)形式，受工作面采動超前影響、采動滯后影響所造成的斷面收縮率分別為7.3%、19.4%，支護(hù)參數(shù)設(shè)計合理，能夠滿足支護(hù)及使用要求。

3) 觀測結(jié)果表明工作面前方15 m位置是巷道受采動應(yīng)力影響最劇烈的位置，工作面超前支承壓力范圍在60 m左右；采動影響之后的巷道斷面收縮率控制在15%以內(nèi)，取得了較好的巷道圍巖控制效果，可以滿足后續(xù)工作面的使用要求。