迎采巷道采動(dòng)擾動(dòng)下合理小煤柱寬度研究

杜夢遠(yuǎn)

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

沿空掘巷是在毗鄰工作面回采后，沿采空區(qū)邊緣留窄煤柱掘巷，沿空巷道處于側(cè)向支承壓力降低區(qū)，使巷道處在較為有利的應(yīng)力環(huán)境下。通過留設(shè)合理的區(qū)段煤柱、采取合理的支護(hù)技術(shù)可以保證巷道在掘進(jìn)及本區(qū)段工作面回采期間圍巖變形較小。另外，相對于沿空留巷，沿空掘巷工藝簡單，無需充填體，巷道支護(hù)費(fèi)用低，更利于推廣[1-4]。目前，沿空掘巷必須在毗鄰工作面回采后且上覆巖層活動(dòng)基本穩(wěn)定以后進(jìn)行，這給工作面順序采掘帶來諸多困難，而迎回采面沿空掘巷可有效緩解接替緊張。但迎回采面沿空掘巷要經(jīng)歷臨近工作面全過程動(dòng)壓影響，在巷道服務(wù)期間要經(jīng)歷兩次采動(dòng)影響，巷道變形劇烈，維護(hù)困難。除了高強(qiáng)度的巷內(nèi)支護(hù)，合理的煤柱寬度也是保證迎采巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[5-7]。本文以王莊煤礦6208工作面運(yùn)輸巷沿空掘巷為背景，建立FLAC計(jì)算模型，分析采動(dòng)擾動(dòng)下迎采小煤柱巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，確定窄煤柱的合理寬度。

1 工程背景

王莊煤礦位于長治市郊區(qū)故縣，現(xiàn)年生產(chǎn)能力可達(dá)700萬t，屬于特大型礦井。3號、4號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層?，F(xiàn)主采3號煤層，煤層厚度為6.18～7.44 m，平均厚度6.6 m。煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度 3.5 m；老頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度 4.4 m；直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.1 m；老底為中砂巖，平均厚度2.9 m。6208工作面運(yùn)輸巷一側(cè)為實(shí)煤體，另一側(cè)與6207工作面采空區(qū)相鄰，為了進(jìn)一步加強(qiáng)6208工作面運(yùn)輸巷的維護(hù)情況，采用留設(shè)小煤柱護(hù)巷的方法。工作面平面布置示意如圖1所示。

圖1 6208工作面平面布置示意(m)

2 數(shù)值模型建立

為了研究不同護(hù)巷煤柱寬度情況下6208工作面運(yùn)輸巷圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律，利用有限差分軟件 FLAC軟件建立了數(shù)值模擬模型，模型尺寸為長×寬×高= 300 m×4 m×80 m，模型各巖層力學(xué)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場所取巖塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)室力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，材料力學(xué)變形符合“摩爾-庫侖”準(zhǔn)則。該模型上表面設(shè)定為應(yīng)力邊界；同時(shí)底邊界在垂直方向固定，兩側(cè)邊界和前后邊界水平方向固定。工作面回采巷道模擬斷面為寬×高= 4 m×3 m 。數(shù)值模型計(jì)算過程為：建立數(shù)值計(jì)算模型—平衡計(jì)算—王莊煤礦6207工作面回采計(jì)算—6208運(yùn)輸巷掘進(jìn)—計(jì)算結(jié)果輸出與分析。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示[8]。

3 合理煤柱寬度模擬結(jié)果

3.1 不同煤柱寬度條件下巷道圍巖的變形規(guī)律

煤柱分別為4 m、6 m、8 m、12 m、15 m、30 m寬度時(shí)，模擬掘進(jìn)和回采過程，得到巷道兩幫的水平位移云圖，如圖2。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 巷道圍巖位移云圖

從圖2可知，當(dāng)煤柱寬度從4 m變化至30 m時(shí)，巷道兩幫的位移并不是簡單的呈現(xiàn)增大或減小的變化，而是有著一定的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 巷道兩幫變形量

從圖3可以看出，煤柱寬度為4 m時(shí)雖然巷道也處在側(cè)向采動(dòng)壓力的降低區(qū)域內(nèi)，但因?yàn)榇嬖谑┕ぶ械牟蓜?dòng)及擾動(dòng)作用，造成了承載能力的缺失，巷道總的變形要比6 m或8 m寬度的煤柱更為嚴(yán)重；在煤柱寬度為12～15 m的條件下，巷道位于工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)應(yīng)力的峰值區(qū)域內(nèi)，其在水平方向所造成的變形也比6～8 m寬度的煤柱要大，當(dāng)進(jìn)一步加大煤柱的寬度，護(hù)巷煤柱內(nèi)的支承壓力峰值以及煤柱變形都有相應(yīng)的降低并最終趨于穩(wěn)定，但留設(shè)過大的煤柱尺寸將不利于煤炭資源的回收與利用；在煤柱尺寸為6～8 m，掘進(jìn)施工時(shí)會(huì)因?yàn)槭懿蓜?dòng)擾動(dòng)而承受一定階段的側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力峰值作用，但掘進(jìn)完后，側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力會(huì)長期處于降低區(qū)，對巷道的長期穩(wěn)定有利。

3.2 不同煤柱寬度對兩幫垂直應(yīng)力分布特征的影響

為了進(jìn)一步確定6208運(yùn)輸巷護(hù)巷煤柱的合理寬度，繼續(xù)采用數(shù)值模擬的方法對6～8 m范圍內(nèi)不同寬度煤柱在采動(dòng)應(yīng)力的影響下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)所采用的煤柱寬度方案分別為6.4 m，6.8 m，7.2 m，7.6 m。在掘進(jìn)巷道且覆巖穩(wěn)定后分別監(jiān)測不同方案中巷道兩幫，即煤柱幫與實(shí)體煤幫內(nèi)部的垂直應(yīng)力分布規(guī)律。將不同煤柱寬度方案下的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出并繪圖，如圖4、圖5所示。

圖4 6～8 m 范圍內(nèi)不同煤柱寬度沿空巷道兩側(cè)應(yīng)力分布

圖5 6～8 m 范圍內(nèi)不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布狀態(tài)

由圖4、圖5可以看出，煤柱寬度對巷道兩幫內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律有著非常明顯的影響，隨煤柱寬度的增加，實(shí)體煤幫及窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的峰值不斷增大，但其增大的幅度較小。在煤柱寬度為6.8 m或者7.6 m時(shí)，巷道實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力峰值距離巷道的距離較6.4 m和7.2 m的煤柱寬度條件下而言要小，由此可以看出在6.8 m和7.6 m煤柱尺寸的條件下，應(yīng)力峰值距煤幫較近，淺部煤體承載能力增強(qiáng)，巷道圍巖較為穩(wěn)定，有利于巷道整體的維護(hù)。

綜合以上，為了能夠盡量使得護(hù)巷煤柱長期處于側(cè)向采動(dòng)壓力的減低區(qū)內(nèi)，并綜合考慮工作面?zhèn)认虿蓜?dòng)壓力的分布規(guī)律、巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律以及巷道圍巖變形等多種不同情況，最終將護(hù)巷煤柱寬度確定取值為7.6 m。

4 工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，在6208運(yùn)輸巷留設(shè)7.6 m護(hù)巷煤柱進(jìn)行施工，為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可行性和可靠性，在巷道中布置綜合測站以監(jiān)測巷道在掘進(jìn)和回采期間的圍巖變形。如圖6、圖7。

圖6 掘進(jìn)期間綜合測站點(diǎn)巷道表面變形情況

圖7 回采期間綜合測站點(diǎn)巷道表面變形情況

從圖6可以看出，試驗(yàn)巷道掘進(jìn)期間，隨著監(jiān)測天數(shù)的增長，即隨著距掘進(jìn)迎頭的增長，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?25 mm左右，兩幫移近量為238 mm左右，巷道變形量在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

從圖7中可以看出，在6208工作面回采期間，最終頂?shù)装逡平?，即最后觀測距離工作面5 m時(shí)，為325 mm 左右，最終兩幫移近量485 mm 左右，巷道可以滿足回采期間的使用要求。

5 結(jié) 語

1) 本文通過應(yīng)力場分布和巷道表面位移2種因素，采用數(shù)值模擬方法分析迎采動(dòng)工作面沿空掘巷合理煤柱寬度，最終確定王莊礦迎采動(dòng)工作面沿空掘巷合理煤柱寬度為7.6 m。

2) 煤柱寬度對巷道兩幫內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律有著非常明顯的影響，在7.6 m煤柱尺寸的條件下，應(yīng)力峰值距煤幫較近，淺部煤體承載能力增強(qiáng)，巷道圍巖較為穩(wěn)定。

3) 工業(yè)性試驗(yàn)表明采用7.6 m小煤柱，保證了煤柱的承載能力，滿足了巷道圍巖變形要求，具有較好的技術(shù)效果。