孤島煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定與控制技術(shù)研究

張有乾 周 健 王 琦 孫玉亮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

孤島煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定與控制技術(shù)研究

張有乾1,2周 健1,2王 琦1,2孫玉亮1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

孤島煤柱結(jié)構(gòu)特殊，在孤島煤柱中掘巷，巷道應(yīng)力集中程度高，圍巖完整性差，圍巖控制非常困難。本研究提出了孤島煤柱沿空掘巷模型，以某礦為例，孤島煤柱將完全處于塑性區(qū)和破碎區(qū)，整個煤柱不會存在彈性核區(qū)。通過PFC2D顆粒流模擬軟件模擬，得出整個煤柱可分為裂隙區(qū)和破碎區(qū)，巷道兩側(cè)破碎區(qū)范圍在2.5 m左右，錨固范圍需超出破碎區(qū)范圍，因而需要幫錨索支護(hù)進(jìn)行圍巖控制，得出支護(hù)阻力和裂隙發(fā)育相互關(guān)系，分析認(rèn)為，相比無支護(hù)一定的支護(hù)阻力對控制裂隙發(fā)育作用明顯，但支護(hù)阻力到達(dá)一定數(shù)值后，增加支護(hù)阻力對進(jìn)一步控制裂隙發(fā)育作用不大。通過現(xiàn)場觀測，對比有無錨索不同支護(hù)條件下圍巖變形情況，得出幫部布置錨索時，可以明顯降低圍巖變形速度10～15 mm /d，有效控制錨固范圍內(nèi)圍巖的變形，保證巷道正常使用。

孤島煤柱 塑性區(qū) 破碎區(qū) PFC2D數(shù)值模擬

區(qū)段煤柱用于隔離采空區(qū)和維護(hù)巷道，由于煤柱遭到采動壓力的影響作用，區(qū)段煤柱內(nèi)應(yīng)力集中，常常使得沿采空一側(cè)掘進(jìn)巷道破壞規(guī)律異常復(fù)雜。國內(nèi)外關(guān)于在區(qū)段煤柱內(nèi)雙側(cè)沿空掘巷的研究尚少，所探討的沿空掘巷多是單側(cè)沿空巷道，如中國礦業(yè)大學(xué)李學(xué)華[1-2]提出“大小結(jié)構(gòu)”理論，柏建彪[3-4]提出弧形三角板理論，合理的分析解釋了沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律，對雙側(cè)沿空巷道涉及不多。

沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮煤柱留設(shè)尺寸，頂板煤體穩(wěn)定性等多種因素，還需分析側(cè)向弧形三角塊結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)對頂板造成的影響，因而支護(hù)難度較大[5-7]。而孤島雙側(cè)沿空巷道應(yīng)力集中程度高，圍巖完整性差，對支護(hù)方案提出了更高的要求。本研究將對雙側(cè)沿空巷道特殊結(jié)構(gòu)、圍巖裂隙發(fā)育情況和支護(hù)措施進(jìn)行探討。

本研究以某礦為例進(jìn)行探討，某煤礦330采區(qū)接續(xù)工作面距離井底車場距離增加，巷道通風(fēng)阻力增加、風(fēng)量損失大，原有巷道斷面及通風(fēng)能力已難以滿足后續(xù)生產(chǎn)需求，故決定在1301面、1301下面2個工作面中間的20 m煤柱中新掘進(jìn)330采區(qū)輔助回風(fēng)巷，以滿足采區(qū)工作面的通風(fēng)需求。

1 孤島沿空掘巷模型分析

在孤島煤柱中掘巷位置選取時，由于煤柱高應(yīng)力作用下裂隙高度發(fā)育，基于防漏風(fēng)、防水、防瓦斯涌入的考慮，將巷道放在煤柱中央，如圖1。

圖1 孤島煤柱模型

為簡化模型分析，認(rèn)為巷道周邊水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均勻分布，進(jìn)行巷道圍巖破碎情況的分析，如圖2。

圖2 圍巖變形區(qū)域劃分

巷道塑性區(qū)半徑可以通過下式分別求得[8]:

(1)

式中，R為塑性區(qū)半徑；a為巷道半徑；Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ)，其中φ為巖體的內(nèi)摩擦角；P0為原巖應(yīng)力；σc為巖體的單軸抗壓強(qiáng)度；β=(tanθ0)/E，其中θ0為軟化角；E為巖體彈性模量；

(2)

式中，Rp為破碎區(qū)半徑。

塑性區(qū)、破碎區(qū)半徑和支護(hù)阻力的關(guān)系見圖3。

圖3 塑性區(qū)、破碎區(qū)半徑和支護(hù)阻力的關(guān)系

結(jié)合以上求得的巷道塑性區(qū)和破碎區(qū)的半徑，實(shí)際上由于孤島煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，注意到孤島煤柱本身寬度多在30 m左右，所以一般情況下整個煤柱不會存在彈性核區(qū)，而完全處于塑性區(qū)和破碎區(qū)當(dāng)中。

破碎區(qū)半徑Rp由式(1)、式(2)求出，巷道周圍的破碎區(qū)范圍大于2 m，因而在實(shí)際孤島煤柱中沿空掘巷位置的選取時，如果選擇沿一側(cè)采空區(qū)留3～5 m窄煤柱護(hù)巷，在孤島煤柱巷道和回采巷道的共同影響下，窄煤柱將完全處于破碎狀態(tài)，考慮到孤島煤柱應(yīng)力集中，在高應(yīng)力下如果巷道一幫完全處于破碎區(qū)，變形將很難控制。因?yàn)樵诠聧u煤柱掘巷，巷道位置選取時，盡量選在中部，使兩側(cè)有一定的塑性區(qū)，為錨桿、錨索支護(hù)提供著力點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了將巷道放置于區(qū)段煤柱中央的正確性。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

為研究孤島煤柱沿空掘巷破碎帶和裂隙帶的發(fā)育情況，借助目前顆粒流離散元軟件PFC2D對裂隙發(fā)育和分布特征進(jìn)行模擬研究。模型走向長20 m，垂直高度為20 m，分布28 768個顆粒．顆粒半徑為7 cm，顆粒連接采用平行連接，模型四周端為施加載荷為20 MPa的自由面，模型側(cè)壓系數(shù)為1，其顆粒物理量如表1。

數(shù)值計(jì)算模型模擬如圖4。

2.2 模擬結(jié)果分析

表1 顆粒物理量參數(shù)

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

未開挖巷道前，對煤柱中破碎區(qū)進(jìn)行模擬，模擬效果如圖5。

圖5 煤柱裂隙分布

由圖5可知煤柱破碎區(qū)主要集中在兩側(cè)靠近采空區(qū)部分，模型穩(wěn)定后破碎范圍在2～4 m左右，煤柱中間存在非破壞區(qū)，為孤島煤柱掘巷提供有利條件，若煤柱全部破碎，則在煤柱中掘巷后很難有有效的支護(hù)手段控制圍巖變形。

圖6 支護(hù)阻力為0.5 MPa條件下裂隙發(fā)育

對巷道掘后圍巖裂隙發(fā)育、破碎情況進(jìn)行模擬，效果如圖6，由于兩幫煤柱中應(yīng)力高，煤體硬度相對較低，兩幫煤層中裂隙高度發(fā)育。其中靠近巷道側(cè)破碎區(qū)范圍2.5 m左右，采空區(qū)側(cè)破碎區(qū) 3～4 m左右。相比破碎區(qū)，裂隙發(fā)育區(qū)可錨性較好，錨桿應(yīng)選用大于2.5 m的長錨桿，由于整個煤柱均有即均為塑性區(qū)或破碎區(qū)，為控制深部圍巖流變，應(yīng)布置幫部錨索加強(qiáng)支護(hù)。

為模擬不同支護(hù)阻力下，巷道圍巖裂隙發(fā)育情況[9]，分別對巷道無支護(hù)和平均支護(hù)阻力為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa進(jìn)行模擬。

模擬結(jié)果表明：

(1)無支護(hù)情況下，巷道周圍裂隙發(fā)育呈現(xiàn)隨時間直線增長的趨勢，而有巷道內(nèi)進(jìn)行支護(hù)后，裂隙發(fā)育到一定階段會逐漸趨于緩和，分析認(rèn)為高強(qiáng)錨桿和錨索的錨固增強(qiáng)作用增大了巖體的峰值強(qiáng)度和峰后強(qiáng)度，并且使圍巖由單向或二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，從而抑制了圍巖沿滑移面的剪切破裂和碎脹擴(kuò)容，進(jìn)而限制了圍巖的張開變形[10]。

(2)支護(hù)阻力越大，同一時間階段裂隙發(fā)育相對較少且更容易趨于穩(wěn)定，但當(dāng)支護(hù)阻力超過1.5 MPa后，支護(hù)阻力的增加對裂隙發(fā)育的控制效果逐漸減弱。

3 不同支護(hù)方式下現(xiàn)場效果分析

前期支護(hù)方案幫部無錨索，后期幫部增加錨索布置。對330輔助回風(fēng)巷內(nèi)各表面位移觀測測站的巷道圍巖變形量進(jìn)行了觀測分析，得出各測點(diǎn)圍巖變形量，并且分析得出幫部不同支護(hù)條件下，兩幫移近速度和距掘進(jìn)工作面距離之間的關(guān)系，見圖7。

圖7 兩幫移近速度和距掘進(jìn)工作面距離關(guān)系

由圖7可以得出：

(1)幫部進(jìn)行錨索支護(hù)比無錨索支護(hù)的巷道在距掘進(jìn)工作面相同距離時變形速度小10～15 mm/d，可見錨索支護(hù)對兩幫變形的控制效果是明顯的。分析認(rèn)為錨索控制圍巖范圍大，有效控制錨固范圍內(nèi)圍巖的變形，減少幫部圍巖內(nèi)離層的產(chǎn)生，從而減少兩幫移近速度。

(2)幫部打1路錨索和幫部打2路錨索相比較，在控制巷道兩幫變形上差距不大。但第2路錨索能很好的控制巷道幫部下部的變形，使巷道整體維護(hù)較好。

4 結(jié) 論

(1)由于孤島煤柱應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在,注意到孤島煤柱本身寬度多在30 m以下。所以一般情況下整個煤柱不會存在彈性核區(qū)，而完全處于塑性區(qū)和破碎區(qū)當(dāng)中。

(2)通過PFC2D模擬，認(rèn)為整個煤柱可分為裂隙區(qū)和破碎區(qū)，巷道兩側(cè)破碎區(qū)范圍在2.5 m左右，錨桿長度需超出破碎區(qū)范圍，且需要錨索支護(hù)控制錨桿錨固范圍外圍巖的變形；相比無支護(hù)，一定的支護(hù)阻力對控制裂隙發(fā)育作用明顯，但支護(hù)阻力到達(dá)一定數(shù)值后，增加支護(hù)阻力對進(jìn)一步控制裂隙發(fā)育作用不大。

(3)認(rèn)為巷道支護(hù)過程中，錨索控制范圍要超出破碎區(qū)的范圍，通過現(xiàn)場觀測，幫部進(jìn)行錨索支護(hù)比無錨索支護(hù)的巷道在距掘進(jìn)面相同距離時變形速度小10～15 mm /d，驗(yàn)證了假設(shè)的正確性。

[1] 侯朝炯，李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(1)：1-7. Hou Chaojiong，Li Xuehua.Stability principle of big and small structures of rock surrounding roadway driven along goaf in fully mechanized top coal caving face [J].Journal of China Coal Society，2001，26(1)：1-7.

[2] 李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2000. Li Xuehua.The Study of Big and Small Structure Stability of Surrounding Rock of Roadway Driving along Goaf [D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2000.

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(責(zé)任編輯 石海林)

Surrounding Rock Stability of the Roadway Driving Along Gob and its Corresponding Control Technology

Zhang Youqian1,2Zhou Jian1,2Wang Qi1,2Sun Yuliang1,2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandMineSafety，Xuzhou221008，China)

Due to the unique structure of isolated coal pillar，there are many problems in roadway driving among isolated coal pillar，such as high concentration of stress，low integrity of surrounding rock，and tough job in controlling the surrounding rocks.The model of the roadway driving along the gob is put forwards.Taking a mine as a case，the isolated coal pillar totally lies in the broken zone and plastic zone.There is no elastic zone for the pillar.Through PFC2D partide flow code simulation，it is obtained that the whole pillar can be divided into failure zone and plastic zone.The range of failure zone on both sides of roadway is about 2.5 m.Anchorage zone needs to be beyond failure zone.Thus，rib cable is needed to control surrounding rock.The relationship between supporting resistance and fissure development is obtained.It suggests that compared with no support，a certain support can control the development of fissure effectively.Nevertheless，when support resistance reaches specific value，increasing support resistance has little effect on controlling fissure development.Through field monitoring and comparison of the surrounding rock deformations under the condition of different support patterns with support or not，it is obtained that layout of the rib cables at walls will significantly reduce the deformation rate of surrounding rocks by 10 mm/d to 15 mm/d，which can effectively control the deformation of surrounding rocks and make sure the normal service of roadway.

Isolated pillar，Plastic zone，Broken zone，PFC2D numerical simulation

2014-05-06

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(編號：2013DXS02)。

張有乾(1991—)，男，碩士研究生。

TD322

A

1001-1250(2014)-08-049-04