不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形機(jī)理研究

師培俊

【摘 要】 在不同寬度區(qū)段內(nèi)，對(duì)綜放工作面回采巷道的圍巖結(jié)構(gòu)特征及其變形破壞進(jìn)行研究具有重大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如它可以提高回采率、減少成本、確保礦井的安全生產(chǎn)等。研究不同寬度區(qū)段內(nèi)煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形機(jī)理也是煤礦支護(hù)中的關(guān)鍵任務(wù)。本文通過對(duì)不同煤柱寬度情況下巷道力學(xué)特性的分析，來分析巷道的圍巖結(jié)構(gòu)，以此得到煤柱巷道圍巖變形破壞的機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】 煤柱巷道；圍巖結(jié)構(gòu)特征；變形機(jī)理；支護(hù)

前言

煤炭作為我國的重要能源，在社會(huì)生產(chǎn)和人民生活中占有著重要的地位。我國煤炭資源目前的形勢(shì)是總體儲(chǔ)量大、資源豐富，但是巷道所在地層的開采條件十分復(fù)雜，地層的特點(diǎn)也各種各樣，所以很難對(duì)巷道進(jìn)行開掘。因此，正確理解煤柱巷道圍巖的結(jié)構(gòu)和破壞機(jī)理，能夠有效地領(lǐng)悟巷道支護(hù)理論，并且選取合理的支護(hù)方案，來降低開采煤礦的成本以及保證生產(chǎn)的安全性。

1 研究的原理及意義

1.1 研究的意義

我國研究巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形機(jī)理的歷史悠久，尤其是在最近五十年期間，隨著人民經(jīng)濟(jì)水平的提高和科技的快速進(jìn)步，我國對(duì)不同寬度區(qū)段內(nèi)煤柱巷道圍巖的結(jié)構(gòu)及變形機(jī)理的研究和控制方面取得了較高的成就，也吸引了眾多國外領(lǐng)域人士前來瞻仰。很多地質(zhì)工作者在這個(gè)領(lǐng)域不斷的進(jìn)行研究探索，通過各種形式的試驗(yàn)、理論研究等等，均取得了較為豐碩的研究成果。目前，煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形機(jī)理研究成果主要有：越來越貼近實(shí)際地理解并認(rèn)識(shí)了回采巷道的礦壓特征；越來越全面并完善的掌握了煤柱巷道圍巖與支護(hù)作用之間的相互關(guān)系。因此，研究不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形機(jī)理，有利于對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)，降低生產(chǎn)成本，減少煤礦的損失率，也對(duì)提高綜合開采效率和采區(qū)回采率有著十分重要的意義。

1.2 研究方法

本文首先運(yùn)用彈性力學(xué)、巖石力學(xué)建立理論結(jié)構(gòu)力學(xué)研究模型，得到在不同工作面上不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖與支護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，再使用數(shù)值模擬的方法研究它在時(shí)間和空間上的聯(lián)系，然后再通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行巷道穩(wěn)定性分析并得出結(jié)論。

2 不同寬度區(qū)段煤柱巷道力學(xué)性質(zhì)分析

2.1 不同寬度煤柱圍巖結(jié)構(gòu)特征

要想對(duì)回采巷道進(jìn)行必要的控制，需要正確的認(rèn)識(shí)其礦壓規(guī)律和穩(wěn)定性特征，那么就首先要求我們理解圍巖的結(jié)構(gòu)特性及圍巖的賦存特征即力學(xué)幾何特性。在不同地層上，回采巷道的極限強(qiáng)度和變化量等特性也不盡相同，有時(shí)可能千差萬別。但是，這些不同在強(qiáng)度和變形狀態(tài)的宏觀方面卻又表現(xiàn)出驚人的一致性。依據(jù)前人的研究成果可知：回采巷道圍巖的三軸抗壓強(qiáng)度大于單軸抗壓強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度又大于純剪強(qiáng)度，純剪強(qiáng)度又大于抗拉強(qiáng)度。煤層如果形成的時(shí)間不同或者所含的礦物成分有差別時(shí)，那么這些巖層在力學(xué)特性和幾何特性等方面表現(xiàn)出來的狀態(tài)也會(huì)不同。如此可見，必須系統(tǒng)而全面的分析好煤柱圍巖的結(jié)構(gòu)，才能充分理解回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

2.2 不同區(qū)段煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征

若巷道兩邊都是沒有采過的煤層時(shí)，因?yàn)閹r層中只有一小部分被挖掘，所以巷道圍巖被影響的范圍也比較窄。圍巖的破壞地點(diǎn)具有對(duì)稱特性，圍巖礦壓特征大部分受采動(dòng)影響和掘進(jìn)的影響，但是不會(huì)破壞到老頂?shù)膸r層。

如果巷道圍巖的結(jié)構(gòu)為一側(cè)已被采空的類型，由于采空區(qū)邊界對(duì)應(yīng)的巖層巖性和支持條件不同，各個(gè)巖層的下沉程度也會(huì)有所差異，這樣就會(huì)造成在彎曲變形過程中出現(xiàn)分層間的部分離析現(xiàn)象。又由于每個(gè)巖層呈現(xiàn)出彼此獨(dú)立的彎曲變形，所以層與層之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的錯(cuò)位或錯(cuò)位的趨勢(shì)，這樣便會(huì)導(dǎo)致層間的滑動(dòng)阻力出現(xiàn)。

這兩種煤柱巷道的圍巖結(jié)構(gòu)的最終形態(tài)大致相同，但是它們巷道支護(hù)所承受的載荷變化還有變化的情形卻大大不同。煤體-煤柱巷道的圍巖破壞情況和煤柱的大小有關(guān)系，當(dāng)煤柱足夠大的時(shí)候，采空區(qū)與巷道圍巖的破碎區(qū)中斷。相反，如果煤柱特別小時(shí)，采空區(qū)與巷道圍巖的破碎區(qū)相互連接，形成不同形狀的破碎帶。煤體-采空區(qū)巷道與煤體-煤柱巷道的情況類似，它們具有一致的最終形態(tài)但是它們的圍巖以及所承受的載荷變化以及變化情形卻大大不同。

2.3 區(qū)段煤柱變形破壞機(jī)理分析

普通綜采面和綜放面得采場(chǎng)礦壓相比，綜放面的礦壓對(duì)老頂圍巖的影響大于普采，因?yàn)榫C采一次性的采高比較大。所以，綜放面在傾斜方向的支撐壓力比普采面得影響范圍大。總體來看，區(qū)段煤柱的變形情況呈現(xiàn)出多樣性，因?yàn)槊簩颖旧淼男再|(zhì)差異。在側(cè)向支撐壓力的作用下，區(qū)段煤柱破壞和純軸壓縮實(shí)驗(yàn)相像，加載方式為給定的變形控制加載方式。側(cè)向斷裂位置和煤壁的距離影響老頂?shù)臄嗔焉疃?，?cè)向支撐壓力越明顯煤柱變形越大。這樣使得使用小區(qū)段煤柱護(hù)巷帶來一定的難度，否則煤柱的變形也就比較緩和。

2.4 不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖邊界條件

在服務(wù)期內(nèi)，區(qū)段回采巷道都要受到掘進(jìn)、回采和時(shí)間等因素的影響，根據(jù)區(qū)段回采的準(zhǔn)備系統(tǒng)，區(qū)段巷道根據(jù)巷道和采空區(qū)的相對(duì)位置可以分為三種布置方式：煤體-煤體巷道、煤體-煤柱巷道、煤體-采空區(qū)巷道。關(guān)鍵層理論指出，在煤系巖層中，由于成巖時(shí)間和成巖礦物成分有差異，巖層的厚度和力學(xué)幾何特性等方面也有著一定的差別。破裂巖石上的載荷可以大致認(rèn)為巖石自重以及關(guān)鍵層之間對(duì)應(yīng)區(qū)域軟弱巖層的重量之和。

3 數(shù)值模擬法在確定煤柱寬度的應(yīng)用

目前，數(shù)值模擬法主要有限差分法、限元法和離散元法等用來確定綜放工作面煤柱寬度的確定。陳忠輝曾經(jīng)對(duì)山西大同礦務(wù)局某礦使用FLAC軟件對(duì)放頂煤三維煤場(chǎng)做了全面的研究，從而得到了三維模型的應(yīng)力變形以及單元破壞數(shù)值分析的結(jié)果。他認(rèn)為支撐壓力具有明顯的分區(qū)特性在綜放采煤過程中。

同樣，張滿賢等人采用巖土工程結(jié)果彈塑性非線性有限元分析FEVP 2程序，對(duì)煤礦綜放面建立了煤柱計(jì)算數(shù)值模擬模型。他認(rèn)為煤柱寬度對(duì)巷道圍巖的變形影響頗深，一般情況下巷道圍巖的變形會(huì)隨著煤柱寬度的變大而減??；煤柱的穩(wěn)定性隨著煤柱寬度的變小而變好，且煤柱的支撐壓力疊加程度變高；煤柱的彈性核只有在煤柱寬度大于20m時(shí)才會(huì)形成，并且彈性核會(huì)在應(yīng)力集中系數(shù)增加的時(shí)候消失。

張金亮采用針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元數(shù)值計(jì)算程序UDEC3.0計(jì)算出了采空區(qū)上部側(cè)向支撐應(yīng)力的分布特征和規(guī)律。還根據(jù)這一演化規(guī)律，在綜合考慮了煤層內(nèi)部因素的前提下選擇不同應(yīng)力條件下的煤柱寬度來分析不同寬度煤柱的變形情況，進(jìn)而得出了在這個(gè)地質(zhì)條件下的煤柱寬度范圍值。

4 結(jié)論

本文針對(duì)三種不同的巷道布置方式和布置地點(diǎn)將巷道分為煤體-煤體巷道、煤體-煤柱巷道、煤體-采空區(qū)巷道，運(yùn)用理論力學(xué)分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)三種研究方法，介紹了三種巷道圍巖的結(jié)構(gòu)特性和變形狀態(tài)，分析了其受力條件和移動(dòng)位移量，并據(jù)此總結(jié)了不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)以及變形機(jī)理。除此之外，還研究了巷道圍巖邊界條件對(duì)巷道圍巖變形破壞產(chǎn)生的影響，并通過數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地分析了圍巖采動(dòng)變形和煤柱破壞的變化規(guī)律，以及不同煤柱寬度產(chǎn)生的影響因素?？芍?，受干擾最小的巷道為巖層中掘進(jìn)的巷道，它的受力條件也比較穩(wěn)定，因此要保護(hù)好圍巖的完整性來使之減小周邊圍巖對(duì)其的干擾性。最容易受到破壞的煤體為護(hù)巷煤柱兩側(cè)煤體，特別是位于上區(qū)段采空區(qū)兩側(cè)的煤體，很容易受到回采擾動(dòng)且難以維持穩(wěn)定的狀態(tài)。

由于煤炭地質(zhì)條件復(fù)雜、開采條件各異，煤炭綜放工作面回采過程中不同寬度區(qū)段煤體圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)、變形機(jī)理、破壞規(guī)律及其研究成為科學(xué)研究的重要問題。對(duì)不同寬度區(qū)段煤柱巷道圍巖結(jié)構(gòu)及其變形機(jī)理研究占有重要的理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。由于本文作者水平有限，問題復(fù)雜，具體工程還應(yīng)考慮許多影響因素，以降低支護(hù)的成本，控制圍巖變形，提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛建春，高明仕，張理生.新橋煤礦留小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)[J].中州煤炭，2011，（2）：81-82

[2] 謝紹穎，劉棟.沿空大斷面切眼煤柱留設(shè)與圍巖控制技術(shù)[J].煤礦開采，2010， 15（5）：127-128

[3] 張拴才.強(qiáng)礦壓小煤柱分層掘進(jìn)巷道高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[J].煤礦安全，2012， 43（10）：48-49