高河礦雙側(cè)采動(dòng)大巷變形破壞分析及合理煤柱尺寸留設(shè)研究

薛 琦，劉凱文，魏聰聰，韓 森

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 047100；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

在巷道煤柱留設(shè)、圍巖塑性區(qū)演化、圍巖控制方面，許多學(xué)者做了大量的研究工作。在煤柱留設(shè)方面：徐金海等[1-2]研究了煤柱長期穩(wěn)定的必要條件和煤柱穩(wěn)定的最短時(shí)間公式；柏建彪等[3-4]通過數(shù)值計(jì)算分析了不同的煤層賦存條件下，窄煤柱的穩(wěn)定性與其寬度的聯(lián)系；辛亞軍等[5]、邸帥[6]通過相似模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析確定了巷道圍巖初始擾動(dòng)與臨界失穩(wěn)的煤柱尺寸，提出了塑性區(qū)寬度等同理論。在圍巖塑性區(qū)演化方面：馬念杰等[7]、趙志強(qiáng)[8]、李季[9]、李永恩等[10]研究了圓形巷道和矩形巷道這兩種巷道斷面形狀在非均勻應(yīng)力場條件下巷道塑性區(qū)形態(tài)變化規(guī)律，并且初步探討了塑性區(qū)在特定條件下的“蝶形”形態(tài)。在圍巖控制方面：何滿潮等[11-12]提出了關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論；丁自偉等[13]針對軟巖破碎巷道圍巖鉆孔成孔困難、錨固效果差等問題，通過采取不同的注漿工藝對巷道破碎圍巖進(jìn)行分區(qū)加固，有效地控制了巷道變形。

高河礦在雙側(cè)采動(dòng)時(shí)大巷出現(xiàn)了圍巖劇烈變形，其發(fā)生機(jī)理不明確，導(dǎo)致控制措施針對性不強(qiáng)，本文在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過建立FLAC3D數(shù)值模型，分別從單側(cè)、雙側(cè)采動(dòng)條件下的應(yīng)力分布特征及不同煤柱尺寸塑性區(qū)演化規(guī)律的角度結(jié)合理論分析，確定了合理煤柱尺寸，對高河礦的實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)概況

高河礦現(xiàn)主采2#煤層北采區(qū)，煤層平均厚度3 m，平均埋深450 m，傾角1°～3°，含1～3層泥巖夾矸，煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層頂板為粉砂巖，平均厚度5 m，抗壓強(qiáng)度36.7～51.4 MPa；煤層底板為泥巖，平均厚度3 m，抗壓強(qiáng)度36.7～58.1 MPa，遇水軟化膨脹。頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

1.2 采掘設(shè)計(jì)概況

2#煤層北采區(qū)布置有三條大巷，分別為北回風(fēng)巷、北軌道運(yùn)輸巷、北膠帶運(yùn)輸巷(以下稱北回巷、北軌巷、北膠巷)，巷間煤柱40 m，大巷與工作面之間設(shè)計(jì)保安煤柱為50 m，巷道寬×高=4.0 m×2.8 m；工作面長200 m，對向開采，開采次序?yàn)?311工作面、2302工作面、2309工作面、2304工作面，采掘布置平面圖如圖1所示。

圖1 采掘布置平面及監(jiān)測點(diǎn)布置圖

2#煤層北回巷、北膠巷現(xiàn)采用錨-網(wǎng)-索-噴聯(lián)合的支護(hù)方式，頂板支護(hù)參數(shù)為：Φ22 mm×2 200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿5根/排，間排距為900 mm×800 mm；Φ17.8 mm×6 300 mm鋼絞線錨索，間排距為1 800 mm×800 mm，每排3根。

2 巷道變形破壞特征

受2311工作面和2302工作面疊加采動(dòng)影響，北膠巷、北回巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，均出現(xiàn)近200 m的劇烈變形段，局部頂板含水區(qū)域下沉量超過500 mm。2302工作面回采期間分別在北膠巷和北軌巷進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，其中北膠巷布置4個(gè)測點(diǎn)(測點(diǎn)1～測點(diǎn)4)、北軌巷布置2個(gè)測點(diǎn)(測點(diǎn)5和測點(diǎn)6)，測點(diǎn)布置見圖1。

2.1 巷道圍巖表面位移監(jiān)測

當(dāng)2302工作面距離停采線50 m左右時(shí)分別在北膠巷、北軌巷進(jìn)行表面位移觀測監(jiān)測，在二次采動(dòng)影響下，北膠巷圍巖變形量比北軌巷大，北膠巷的頂?shù)装逡平吭?66～532 mm之間，幫鼓量在123～162 mm之間，幫鼓量小于頂?shù)装逡平?，如圖2所示。北軌巷由于距采空區(qū)遠(yuǎn)，受采動(dòng)影響小，巷道變形量相對較小，頂?shù)装逡七M(jìn)量在208～239 mm之間，幫鼓量在92～105 mm之間。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，北軌巷可以通過后期補(bǔ)強(qiáng)錨索維護(hù)巷道的穩(wěn)定，但是北膠巷頂板下沉量超過了錨索的極限延伸量而破斷，即使沒有破斷，也極有可能拉脫，存在巨大的安全隱患。

圖2 北膠巷位移監(jiān)測曲線

2.2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)探測

2302工作面回采結(jié)束后在上述測點(diǎn)旁進(jìn)行鉆孔窺視，窺視鉆孔直徑32 mm，孔深8 m，窺視結(jié)果見表2。直接頂粉砂巖厚度約5 m，含煤線，局部含砂質(zhì)泥巖夾層，基本頂為完整性較好的砂巖；北膠巷4 m以深基本完好，北軌巷2.8 m以深基本完好，北膠巷鉆孔破碎區(qū)主要分布在距頂板3.1 m以淺，北軌巷鉆孔破碎區(qū)主要分布在1.7 m以淺。由表2可知，緊鄰采空區(qū)的北膠巷及北回巷受采動(dòng)影響較大，離層區(qū)主要在3.1 m以淺，受采動(dòng)影響較弱的北軌巷離層區(qū)主要在1.7 m以淺，離層區(qū)圍巖承載能力弱化，應(yīng)視為載荷層；北膠巷及北回巷3.1～4.0 m與北軌巷的1.7～2.6 m內(nèi)破壞區(qū)間多表現(xiàn)為壁孔粗糙、裂隙，破碎區(qū)較少，此區(qū)間圍巖具有一定的殘余承載能力；北膠巷及北回巷4.0 m以深與北軌巷2.6 m以深，巖層完整，可視為承載層。

表2 鉆孔窺視結(jié)果

3 采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律及塑性破壞特征

FLAC3D軟件利用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程可精確模擬開挖后的應(yīng)力分布特征及塑性破壞范圍，模型長×寬×高=800 m×300 m×150 m，網(wǎng)格5 m/格，兩停采線間網(wǎng)格細(xì)劃為0.2 m/格，開挖工作面及巷道可研究采動(dòng)區(qū)域應(yīng)力場及巷道塑性區(qū)分布特征，巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

3.1 采動(dòng)應(yīng)力分布特征

按采掘設(shè)計(jì)先后開挖2311工作面、2302工作面，模型應(yīng)力平衡后分別提取兩停采線之間的最大主應(yīng)力P1、最小主應(yīng)力P3及其比值η，如圖3和圖4所示。

圖3 單側(cè)采動(dòng)時(shí)工作面前方應(yīng)力曲線

圖4 雙側(cè)采動(dòng)時(shí)停采線間應(yīng)力曲線

由圖3和圖4可知，工作面前方40 m范圍內(nèi)，應(yīng)力變化非常明顯，P1、P3及圍壓比η隨著與工作面距離的增大而減小，最后趨于平穩(wěn)，雙側(cè)采動(dòng)時(shí)應(yīng)力值明顯更大。單側(cè)采動(dòng)時(shí)P1max為53.7 MPa，P3max為21.2 MPa，η在1.20～2.53之間，而雙側(cè)采動(dòng)時(shí)P1max為59.6 MPa，P3max為22.7 MPa，η在1.40～2.63之間。

巷道塑性區(qū)的大小及發(fā)育形態(tài)主要與雙向主應(yīng)力大小、比值有關(guān)，即巷道在采動(dòng)高偏應(yīng)力場環(huán)境下，圍巖塑性區(qū)會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)展，當(dāng)η=1時(shí)巷道塑性區(qū)為圓形，隨著η的增大，塑性區(qū)形態(tài)逐漸過渡到橢圓形并最終演化為蝶形，導(dǎo)致巷道劇烈變形失穩(wěn)[7-10]。因此，結(jié)合圖3和圖4可得，單側(cè)采動(dòng)時(shí)煤柱尺寸應(yīng)大于40 m，雙側(cè)采動(dòng)時(shí)煤柱尺寸應(yīng)大于56 m。

3.2 不同煤柱尺寸下的大巷塑性區(qū)特征

應(yīng)力分布規(guī)律顯示雙側(cè)采動(dòng)后距離停采線80 m以遠(yuǎn)應(yīng)力值基本不變，因此，對上述數(shù)值模擬模型進(jìn)行大巷開挖，北膠巷距離停采線85～40 m過程中，北膠巷與北軌巷的塑性區(qū)分布如圖5所示。

由圖5可知，北膠巷距停采線40 m時(shí)，大巷幫部和底板的塑性區(qū)極大，頂板塑性區(qū)達(dá)2.4 m，距停采線60 m時(shí)頂板塑性區(qū)為1.6 m，塑性區(qū)尺寸明顯減小，距停采線70 m、85 m時(shí)頂板塑性區(qū)分別為1.2 m、1.0 m。由于北軌巷與北膠巷之間有40 m的保護(hù)煤柱，所以北軌巷塑性區(qū)尺寸始終保持在較小的范圍。大巷距停采線越遠(yuǎn)，塑性區(qū)越小，因此在條件允許情況下應(yīng)盡量滿足60 m以上的停采保護(hù)煤柱。

圖5 不同停采線時(shí)北回巷、北軌巷圍巖塑性區(qū)分布特征

4 合理停采線位置確定

4.1 采動(dòng)圍巖變形與護(hù)巷煤柱關(guān)系分析

陸士良等[14]在對數(shù)百條各類型采動(dòng)巷道調(diào)研后獲得不同圍巖性質(zhì)、護(hù)巷方式及煤柱寬度下巷道圍巖變形規(guī)律和變形量的研究成果，得到巷道服務(wù)期間圍巖變形總量與護(hù)巷寬度的關(guān)系式，見式(1)

U=[1+0.003(H-300)]×

[u0+V0t0+n(211.69e-0.003 545[ln(B)]4.5)+

(1+8.538e-0.406 3[ln(B)]0.5)V0t1+

n(717.185e-0.204 9(B)0.6)+

(1+12.241e-0.003 1(B)1.5)V0t2)]

(1)

式中：H為巷道埋深，m；u0為掘巷引起的附加變形量，mm(中等穩(wěn)定取30～50)；V0為掘巷穩(wěn)定期間圍巖平均變形速度，mm/d(中等穩(wěn)定取0.03～0.05)；t0、t1、t2為各采動(dòng)階段的服務(wù)期限，a；n為采動(dòng)次數(shù)；B為護(hù)巷煤柱寬度(兩側(cè)采空為2B)，m。由式(1)可得在兩側(cè)均開采時(shí)，大巷服務(wù)10 a時(shí)大巷變形總量為500～1 000 mm時(shí)的護(hù)巷煤柱尺寸為55～85 m。

4.2 支護(hù)體驗(yàn)證分析

相關(guān)研究表明，采動(dòng)高應(yīng)力環(huán)境下增加支護(hù)密度對圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)的控制作用有限，支護(hù)的作用是控制巷道的非連續(xù)性變形、維護(hù)其穩(wěn)定性[8-10]，因此，在地質(zhì)條件及開采布局已定的情況下，巷道變形屬于“給定變形”，由于大巷已施工完成，現(xiàn)應(yīng)合理調(diào)整開采布局以減小大巷圍巖采動(dòng)塑性區(qū)，達(dá)到控制巷道變形的目的。

FLAC3D數(shù)值模擬顯示隨著煤柱尺寸的增加塑性區(qū)減小幅度變小，以頂板為例：煤柱尺寸由40 m增加至60 m、70 m、85 m時(shí)塑性區(qū)尺寸由2.4 m減小至1.6 m、1.2 m、1.0 m。因此，合理停采線位置應(yīng)為60～70 m。

1) 錨桿適用性驗(yàn)證。 錨桿長度L需要滿足式(2)。

L=L1+L2+L3D12/(D2-D22)

(2)

式中：L1為錨桿外露長度，取100 mm；L2為錨桿有效長度，為巷道頂板塑性區(qū)的破壞深度,mm；L3為錨固劑長度，mm；D為鉆孔直徑，mm；D1為樹脂錨固劑直徑，mm；D2為錨桿內(nèi)徑，mm。

結(jié)合高河礦實(shí)際情況，停采線為60 m和70 m時(shí)L2分別取1 600 mm和1 200 mm，L3=600 mm，D=30 mm，D1=23 mm，D2=22 mm，計(jì)算結(jié)果可得，停采線為60 m時(shí)，L=2.5 m>2.2 m；停采線為70 m時(shí)，L=2.1 m<2.2 m。因此，停采線至少為70 m。

2) 錨索適用性驗(yàn)證。在計(jì)算開挖或受采動(dòng)影響后巷道最終產(chǎn)生的變形量，通常將問題簡化為平面應(yīng)變問題，即圍巖體積膨脹只發(fā)生在巷道橫截面內(nèi)，不發(fā)生在巷道軸向，由此可以得到式(3)。

Sa=Kv×Sb

(3)

式中：Sa為破裂區(qū)圍巖破裂(膨脹)后的橫截面積；Sb為破裂區(qū)圍巖破裂(膨脹)前的橫截面積；Kv為體積膨脹系數(shù)，取1.12[13]。假設(shè)橫向不發(fā)生膨脹，則縱向最大膨脹長度計(jì)算見式(4)。

ΔLmax=Sb×(Kv-1)=Sa-Sb

(4)

礦方使用Φ17.8 mm×6 300 mm錨索延伸率為3.5%，有效段4.6 m的極限延伸量為0.160 m，則停采線為60 m時(shí)ΔLmax=0.192>0.160 m；停采線為70 m時(shí)ΔLmax=0.144<0.160 m。因此，70 m停采線滿足要求。

為了使雙側(cè)采動(dòng)影響后大巷變形量減小，大巷原錨桿錨索支護(hù)體不破斷，最大限度減少大巷返修，根據(jù)變形理論分析、塑性區(qū)分布特征及支護(hù)體驗(yàn)證結(jié)果綜合分析得出停采線應(yīng)選擇70 m。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2309工作面及2304工作面回采時(shí)與大巷之間預(yù)留了70 m的停采保護(hù)煤柱。為監(jiān)測北膠巷在2304工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)，在工作面距離停采線40 m(距離北膠巷110 m)時(shí)將3處頂板深基點(diǎn)測站布置于北膠巷，深基點(diǎn)、淺基點(diǎn)分別為8 m、3 m，觀測大巷變形情況(后期施工時(shí)測點(diǎn)3被損壞)。

增加停采保護(hù)煤柱后，巷道頂板及兩幫變形破壞明顯減小，如圖6所示?，F(xiàn)場深基點(diǎn)位移監(jiān)測顯示頂板位移量在75 mm以內(nèi)，其中3 m以淺位移量占80%以上，經(jīng)過近5個(gè)月的持續(xù)監(jiān)測，巷道變形量較小，穩(wěn)定性控制效果良好。

圖6 深基點(diǎn)位移曲線圖

6 結(jié) 論

1) 高河礦大巷兩側(cè)工作面對向開采，大巷變形破壞嚴(yán)重，北膠巷離層破碎區(qū)主要在3.1 m以淺、北軌巷在1.7 m以淺，北膠巷頂?shù)装逡平繛?66～532 mm，北軌巷為208～239 mm，北軌巷明顯小于北膠巷。

2) 應(yīng)力分布規(guī)律顯示單側(cè)采動(dòng)時(shí)煤柱尺寸應(yīng)大于40 m，雙側(cè)采動(dòng)時(shí)煤柱尺寸應(yīng)大于56 m；塑性區(qū)分布特征顯示煤柱尺寸應(yīng)大于60 m。

3) 停采線確定后巷道變形屬于“給定變形”，結(jié)合應(yīng)力分布規(guī)律、塑性區(qū)分布特征，結(jié)合變形量理論分析、錨桿錨索適應(yīng)性驗(yàn)證，確定合理停采線位置為70 m，現(xiàn)場工程應(yīng)用后效果顯著。