煤柱寬度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響研究

牛宏偉，黎科龍，劉大亮，劉 旺

(1.潞安化工集團有限公司，山西 長治 046031；2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116；3.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦新井進入91采區(qū)，地質條件復雜，巷道圍巖裂隙發(fā)育，裂隙圍巖的穩(wěn)定性影響全礦安全高效生產。91采區(qū)尾部排水巷為整個91采區(qū)服務，對91采區(qū)所有工作面的安裝、排水起到重要的作用[1-2]。當91采區(qū)工作面向前推進時，尾部排水巷到受工作面采動的影響。因此，合理的保護煤柱寬度對于91采區(qū)尾部排水巷穩(wěn)定性具有重要的影響[3-8]。本文針對不同保護煤柱寬度條件下，工作面向前推進時對排水巷圍巖應力、位移情況進行研究。

1 工程概況

91采區(qū)煤層厚度穩(wěn)定，總厚度為6.4 m，直接頂為4.6 m厚的泥巖，老頂為4.2 m厚的細粒砂巖；直接底為4.6 m厚的泥巖，節(jié)理較發(fā)育。其尾部排水巷共分為多段，巷道均沿煤層底部掘進，采用全錨網支護，巷道斷面均為5.0 m×3.2 m的矩形斷面。91采區(qū)工作面與排水巷的位置關系如圖1所示，91-105工作面與排水巷間護巷煤柱的寬度最窄，為80 m。當91采區(qū)工作面回采時，排水巷的穩(wěn)定性受護巷煤柱寬度的影響。因此，研究工作面回采時排水巷的變形及煤柱的穩(wěn)定對于91采區(qū)安全高效回采具有重要的意義。

圖1 91采區(qū)排水巷平面布置圖Fig.1 Layout plan of drainage lanes in 91 mining area

2 工作面回采時覆巖垮落特征

采用相似模擬試驗方法，研究工作面回采時上覆巖層垮落特征，揭示采動影響下覆巖破裂演化特征。 結合91采區(qū)排水巷斷面尺寸寬×高=5.0 m×3.2 m(矩形斷面)，以及試驗裝置尺寸，同時又能模擬全部的關鍵巖層，選取幾何比，則模型巷道尺寸寬×高=50.0 mm×32.0 mm。模擬巖層原巖密度為2 500 kg/m3，實驗室最后配得的相似材料密度是1 500 kg/m3，故容重比為0.6。具體相似模型參數見表1。

表1 相似模型參數設計Table 1 Parameters design of similar model

2.1 采動影響下覆巖垮落特征及規(guī)律

保護巷道所需煤柱寬度分別50 m、40 m、30 m、20 m時覆巖垮落特征如圖2所示。由圖2可知，在煤層開采過后，上方的巖層的狀態(tài)開始發(fā)生轉變，由最開始的彈性狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。隨著煤層向前開采，上方的巖層開始發(fā)生下沉變形，根據變形程度的不同，分為三部分，分別為冒落區(qū)、裂隙區(qū)和彎曲下沉區(qū)。冒落區(qū)的巖層，其斷裂形態(tài)多為塊狀；裂隙區(qū)的巖層則發(fā)生變形、斷裂，形成裂隙；彎曲下沉區(qū)的巖層相對穩(wěn)定，整體結構基本上沒有受到破壞。

對于預留不同寬度的護巷煤柱，工作面推進時煤層上方巖層垮落特征基本一致。上方巖體垮落排列形態(tài)比較規(guī)則，垮落巖塊的長度分布在3～7 m之間，并且?guī)r塊內部裂隙發(fā)育?？迓鋮^(qū)以上的巖層，具有微弱彎曲下沉的趨勢，并且在巖層內部伴隨有少量縱向裂隙產生。

基本頂第一次垮落后，隨采煤作業(yè)面向前推進，頂板巖層開始顯現出周期性來壓，頂板周期性來壓步距在7～13 m之間，其平均步距為9 m。在工作面開采的影響下，冒落區(qū)高度為25.6 m，相當于采高的4倍，巖層垮落角為56°。裂隙區(qū)發(fā)育高度達64 m，約為煤層采高的10倍。彎曲下沉區(qū)位于裂隙區(qū)上方，彎曲下沉區(qū)的巖層移動具有連續(xù)性和整體性的特點，即裂隙區(qū)頂部以上巖層移動變現為成層地、整體地；在豎直方向上，其上下部分的下沉量非常小。

離層裂隙、破斷裂隙的發(fā)展及巖層移動不是同步發(fā)生的，自下而上發(fā)展的速度也是不勻速的。通常來說，由于破斷產生裂隙的發(fā)展速度比離層產生裂隙的發(fā)展速度更慢一些。在實驗室模擬采煤作業(yè)面推進的過程中，隨著作業(yè)面向前推進，頂板上方覆蓋巖裂隙區(qū)經過了卸壓、失穩(wěn)、起裂、張裂、裂隙萎縮、變小、吻合、封閉的演化過程。

圖2 不同煤柱寬度工作面回采時上覆巖層結構特征Fig.2 Structural characteristics of the overlying strata during stoping at different coal pillar widths

圖3 不同煤柱寬度工作面回采時上覆巖層位移場Fig.3 Displacement field of the overlying strata during stoping at different coal pillar widths

2.2 不同護巷煤柱寬度采動影響巖層運移規(guī)律

不同預留寬度的護巷煤柱，上覆巖層位移如圖3所示。由圖3可知，對于不同預留寬度的護巷煤柱，隨著工作面的開采，頂板發(fā)生變形的區(qū)域越來越大，下沉量逐漸增加。冒落帶以上的巖層，在工作面回采過程中都經歷一個連續(xù)的、動態(tài)的下沉移動過程，并且距離地面越近的巖層，移動過程越連續(xù)，其移動曲線的形態(tài)特征與地面點的移動過程相似。巖層移動過程分為三個階段：初始階段、活躍階段和衰減階段。初始階段巖層裂隙和離層發(fā)育不顯著；活躍階段，巖層變形劇烈，尤其是水平向變形和下沉量最為突出，裂隙和離層發(fā)育較為良好；衰減階段巖層水平變形和下沉移動緩慢，衰減周期長。

3 數值模型的建立

根據工程地質條件，采用UDEC數值模擬軟件，建立數值模型，研究護巷煤柱寬度為20～90 m時，工作面回采對排水巷的影響。數值模擬過程如下：①建模、施加邊界條件，三面固支、頂部加載應力，賦值運算至初始平衡；②開掘排水巷，支護，計算至應力平衡；③回采工作面，計算循環(huán)20 000時步，模擬工作面回采對排水巷的影響，揭示工作面回采過程中排水巷圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。

4 數值模擬結果分析

4.1 不同煤柱寬度巷道圍巖位移變化規(guī)律

不同寬度護巷煤柱條件下，工作面開采時排水巷垂直方向位移變化情況如圖4所示。 由圖4可知，0～1 980時步為91采區(qū)排水巷掘進階段，1 980～10 000時步為91采區(qū)工作面回采階段，在91采區(qū)工作面回采階段，排水巷變形趨勢相同。隨著預留護巷煤柱寬度的減小，巷道變形量逐漸增加。護巷煤柱寬度為90～20 m時，頂底板最大移近量分別為117 mm、117 mm、117 mm、119 mm、124 mm、142 mm、194 mm、316 mm；兩幫最大移近量分別為44 mm、45 mm、49 mm、56 mm、57 mm、104 mm、189 mm、318 mm。護巷煤柱寬度為90～50 m，頂底板、兩幫最大位移量不變化，91采區(qū)排水巷不受工作面回采的影響。護巷煤柱寬度為40～20 m，頂底板、兩幫最大位移量增加，91采區(qū)排水巷受到工作面回采的影響較大，護巷煤柱裂隙發(fā)育。

圖4 不同煤柱寬度回采階段時程-位移曲線Fig.4 Time history-displacement curve of different coal pillar widths

4.2 煤柱中心垂直應力分布特征

采煤作業(yè)面推進過程中，不同預留寬度煤柱的中心應力分布特征如圖5所示。由圖5可知，在91采區(qū)回采階段，由于受到回采過程的影響，煤柱上方垂直應力增大。護巷煤柱寬度為90～50 m時，煤柱上垂直應力分布呈現為單峰狀態(tài)，垂直應力最大值為24 MPa，應力集中系數為2.15，煤柱有一定的承載核區(qū)。護巷煤柱寬度為40 m時，受工作面采動影響劇烈。

圖5 不同煤柱寬度垂直應力曲線Fig.5 Vertical stress curves of different coal pillar widths

圖6 91采區(qū)工作面回采階段排水巷塑性區(qū)分布特征圖Fig.6 Distribution characteristics of the plastic zone of the drainage tunnel in the working face of 91 mining area

4.3 排水巷塑性區(qū)分布特征

不同寬度護巷煤柱條件下，91采區(qū)回采階段排水巷塑性區(qū)變化情況如圖6所示。由圖6可知，護巷煤柱寬度為90～50 m時，91采區(qū)工作面回采階段排水巷塑性區(qū)大小沒有明顯變化。由圖5和圖6可知，當護巷煤柱寬度為40 m時，頂底板移近量及兩幫移近量在6 800步位置，變形量突然增加后最終趨于穩(wěn)定，是由于靠近采空區(qū)側煤柱塑性區(qū)向采空區(qū)擴展所致；當護巷煤柱寬度為40～20 m時，排水巷塑性區(qū)的大小隨煤柱寬度的減小而增大；當護巷煤柱寬度為20 m時，塑性區(qū)擴展到整個煤柱，護巷煤柱裂隙發(fā)育，難以滿足生產要求。

結合現場地質條件，91采區(qū)工作面開切眼距排水巷的最短距離為80 m，排水巷不受工作面回采的影響。

5 巷道現場觀測

對91排水巷頂底板及兩幫變形進行觀測分析，得到巷道兩幫及頂底板移近量隨工作面推進距離變化的關系曲線，如圖7所示。由圖7可知，巷道頂底板移近量最大值為28 mm，兩幫移近量最大值為50.8 mm，在開采作業(yè)面推進到70 m處達到最大值70 m后，頂底板與兩幫的移近量不再隨開采作業(yè)面推進發(fā)生變化，巷道整體變形量較小，圍巖控制效果好。

圖7 工作面推進期間巷道圍巖位移變化圖Fig.7 The displacement of the surrounding rock ofthe roadway during the advancement ofthe working face

6 結 語

由數值模擬可知，護巷煤柱寬度為50～90 m，開采作業(yè)面推進對91采區(qū)排水巷沒有影響，排水巷頂底板最大位移量、兩幫最大位移量、塑性區(qū)大小不發(fā)生變化，煤柱上方垂直應力分布為單峰狀態(tài)，煤柱有一定的承載核區(qū)。護巷煤柱寬度為20～40 m，工作面采動對排水巷影響強烈，頂底板、兩幫最大位移量增加，排水巷塑性區(qū)大小隨預留煤柱寬度的減小而增大，護巷煤柱裂隙發(fā)育，難以滿足生產要求。結合現場地質條件，91采區(qū)工作面開切眼距排水巷的最短距離為80 m，工作面回采時排水巷不受采動的影響。由相似模擬可知，不同護巷煤柱寬度，工作回采時覆巖垮落特征和巖層運移規(guī)律基本相同。由現場觀測結果可知，排水巷在開采作業(yè)面推進期間，變形量小，兩幫移近量為50.8 mm，頂底板移近量為28 mm，圍巖控制效果好。