動壓影響煤巷區(qū)段煤柱礦壓實測及數(shù)值模擬

劉少沛 王寧博

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000；2.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

陽煤集團新元煤礦由于厚層泥巖頂板，內(nèi)部節(jié)理、裂隙發(fā)育，強度低，自穩(wěn)性差，巷道斷面跨度大，頂部拉應力集中等原因，在工作面回采過程中，受劇烈采動的作用，引起巷道頂板冒頂以及離層情況的發(fā)生，引起嚴重臌幫或者垮幫，巷道的支護系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍損毀，威脅礦井的安全高效生產(chǎn)。本文通過對新元煤礦動壓煤巷區(qū)段保護煤柱礦壓進行實測和數(shù)值模擬研究，對煤巷的礦壓分布規(guī)律進行了研究以及總結(jié)，針對煤巷在劇烈采動時采取科學的支護策略。

1 工程概況

東四正巷位于中央進風立井井筒以東，全長1846m，為310103工作面、310104工作面回采巷道，其主要作用是310103工作面回采的進風順槽和輔助運輸順槽，同時作為310104工作面回采的進風和膠帶運輸順槽。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 310103工作面巷道布置圖

在中間巷和正副巷范圍內(nèi)的煤柱寬度基本保持在22m左右。在這個范圍內(nèi)均采用聯(lián)絡(luò)橫貫，處于中間巷和正巷范圍內(nèi)的橫貫互相間隔100m，處于中間巷和副巷范圍內(nèi)的橫貫互相間隔50m。310103工作面主采3#煤層，平均厚度2.6m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.53m；基本頂為軟弱砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，平均厚度2.38m，其上覆巖層為3.2m的砂質(zhì)泥巖。直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.96m，其下為粉砂巖，平均厚度為1.2m。

2 動壓影響巷道煤柱礦壓特征分析

動壓影響巷道煤柱礦壓特征主要是在巷道開掘過程中，處于煤柱側(cè)及實體煤壁側(cè)大部分圍巖一直保持相對靜壓，礦壓變化幅值較小，巷道的形變幅度較小。如果相鄰或者該工作面的開采作用于圍巖時，會破壞最初的靜壓狀態(tài)，圍巖應力值就急劇升高，造成煤柱大面積片幫，垮幫，甚至整體內(nèi)移等，進而導致巷道兩幫移近量顯著增大，斷面急劇縮小，威脅礦井安全生產(chǎn)。對新元煤礦東四正巷煤柱礦壓進行分析，如圖2所示。

圖2 東四正巷煤柱礦壓分析示意圖

根據(jù)東四正巷煤柱礦壓顯現(xiàn)的實際觀測情況，可對新元煤礦動壓影響煤巷保護煤柱礦壓顯現(xiàn)基本特征規(guī)律做如下分析總結(jié)：

（1）東四正巷服務時間長，煤柱先后受到綜采面采動超前支承壓力和采后支承壓力劇烈影響，需經(jīng)歷順槽掘進期、切眼掘進期、回采設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動劇烈影響期等，變形破壞時間長。

（2）在第一次采動劇烈影響期內(nèi)，由于回采引起圍巖應力重新分布。采空區(qū)面積大，導致巖層運動規(guī)模大，煤柱顯現(xiàn)非常強烈，同時此階段也是研究觀測的重點，之后煤柱礦壓會進入相對穩(wěn)定階段。

（3）二次采動影響的時間和空間規(guī)律與一次采動影響類似，但由于此時煤柱受到下區(qū)段工作面超前支承壓力和中間巷側(cè)剩下支撐壓力的附加影響，所以二次采動時，造成的影響會更劇烈，作用的范圍也相對擴大。

3 正巷煤柱礦壓實測

3.1 觀測方法

采用ZCDY-IIA型鉆孔應力傳感器對東四正巷煤柱支承壓力進行觀測，該力學測量設(shè)備整合了液壓技術(shù)和力鋼弦振動機理，而壓力枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用了充液膨脹的方法。該設(shè)備主要測量煤巖體內(nèi)的相對應力大小。觀測數(shù)據(jù)的讀取采用煤礦用壓力信號分析系統(tǒng)在地面PC機上進行。

3.2 測點布置

對劇烈采動影響的東四正巷進行煤柱礦壓的監(jiān)測時，考慮將測點布置在東四正巷與東四中間巷之間煤柱體內(nèi)。把3個壓力測試分站安裝在煤柱體內(nèi)，4個鉆孔應力傳感器負責一個分站，設(shè)置各自的鉆孔深度是2m、8m、14m以及20m，并排打孔在巷幫中部區(qū)域，孔距5m，孔徑50mm，和底板之間的距離是1.5m，合計設(shè)置12個測試點。每兩個分站之間的距離為50m。測站的布置圖如3所示。

圖3 東四正巷煤柱礦壓監(jiān)測測站布置圖

3.3 結(jié)果分析

東四正巷的測站布置完成后，對煤柱礦壓分布進行監(jiān)測分析。由于東四正巷煤柱受到310103回采工作面的采動影響，因此對礦壓的觀測應根據(jù)工作面的推進距離進行測定，直至工作面推過測站。

當開采工作面推過待測測站之后，設(shè)備就能收集到相關(guān)數(shù)據(jù)，校核該數(shù)據(jù)，去除掉被測量設(shè)備破壞的測點數(shù)據(jù)和離散很大的測點數(shù)據(jù)。當工作面推過測站，校核觀測數(shù)據(jù)，剔除鉆孔應力計破壞的測點以及數(shù)據(jù)離散性較大的測點，對測量設(shè)備所記錄數(shù)據(jù)進行處理分析，結(jié)果如圖4和表1所示。

圖4 離巷幫不同距離處煤柱礦壓分布圖

表1 東四正巷煤柱礦壓分布特征表

根據(jù)上述圖、表可以看出：

（1）各深度的礦壓分布具有相同的規(guī)律，都經(jīng)歷了平穩(wěn)區(qū)—升高區(qū)—降低區(qū)—平穩(wěn)區(qū)的變化過程。

（2）在距離工作面前方55m左右處，各深度鉆孔應力計的讀數(shù)變化都很小，可認為此前的煤體處于原巖應力區(qū)，垂直方向上原巖應力均值為13.75MPa。

（3）隨著工作面的推進，在距離工作面前方52m左右處，鉆孔應力計的讀數(shù)開始增大；在距離巷幫14m處煤柱各測點壓力達到峰值61.5MPa；此后各測點的壓力值迅速降低，接近原巖應力值。

（4）在采動劇烈影響條件下，東四正巷煤柱所受310103工作面超前支承壓力的影響范圍為52m，在回采工作面前方15m處達到支承壓力峰值，峰值為44MPa，應力集中系數(shù)為3.2。

4 正巷支承壓力數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

為了能夠反映在工作面推進過程中，東四正巷煤柱前方及側(cè)向煤柱支承壓力的分布特征及其變化規(guī)律，本文采用FLAC3D大型三維巖土工程軟件，依據(jù)310103工作面的地質(zhì)資料建立數(shù)值模型。模型尺寸為長×寬×高=316.5m×160m×45m，共劃分82720個單元，89712個結(jié)點。模型的四個側(cè)面為位移邊界，約束水平位移，底部為固定邊界，約束水平位移和垂直位移。上覆巖層的重力按均布荷載施加在模型的上部邊界，東四正巷順槽平均埋深560m，施加荷載q=γh=2500×9.8×560=13.72MPa。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 煤柱側(cè)向水平應力結(jié)果分析

如圖5（a、b、c、d）分別給出了310103工作面回采過程中，距工作面前方不同距離處煤柱的側(cè)向水平應力分布云圖。

圖5 距工作面前方不同距離處正巷煤柱水平應力分布

從圖中可以看出，至巷幫煤柱0～6m為側(cè)向水平應力降低區(qū)，距離工作面越近，水平應力影響范圍越大；煤柱中存在著6～12m的水平應力升高區(qū)，該區(qū)域的影響范圍與工作面距離密切相關(guān)，當距離工作面越近時，煤柱中該區(qū)域距兩幫集中水平應力區(qū)趨于更近，甚至可以串接在一起，從而大范圍、更為強烈地影響巷道頂板的支護，對多次動壓作用下東四正巷而言，加大頂板支護強度可以起到明顯的支護效果；當距離工作面越遠時，如圖5（d），不僅水平應力值較小，而且影響范圍也非常有限。

4.2.2 煤柱剪切應力結(jié)果分析

如圖6（a、b、c、d），分別給出工作面回采過程中距工作面前方不同距離處煤柱的剪切應力分布云圖。

圖6 距工作面不同距離處正巷煤柱剪切應力分布

從圖中可以看出，煤柱體受到的剪切應力破壞影響范圍不大，主要分布于距離巷幫7m以內(nèi)的煤柱體內(nèi)。隨著工作面的推進，煤柱體內(nèi)的剪切應力雖然有所增加，但整體應力值不大，最大應力值為5.5MPa，在對巷道的支護設(shè)計中應考慮加強對頂?shù)捉堑目刂啤?/p>

5 結(jié)論

（1）分析總結(jié)了東四正巷煤柱需經(jīng)歷順槽掘進期、切眼掘進期、回采設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動劇烈影響期等五個不同時期的影響，變形破壞時間長。

（2）通過實測，在劇烈采動影響下，東四正巷煤柱所受超前支承壓力的影響范圍為52m，在回采工作面前方15m處達到支承壓力峰值為44MPa，應力集中系數(shù)為3.2。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，東四正巷煤柱至巷幫0～6m為側(cè)向水平應力降低區(qū)；剪切應力破壞范圍要分布于距離巷幫7m以內(nèi)的煤柱體內(nèi)，最大應力值為5.5MPa。