龐龐塔礦綜放沿空巷道煤柱應(yīng)力分布與變形特征研究

程靜召

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭一直是支撐我國(guó)快速發(fā)展的基礎(chǔ)能源，煤炭的高效安全生產(chǎn)直接影響到社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。隨著煤炭需求量不斷增加，提高煤炭回收率的呼聲也越來(lái)越高，由此誕生了無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)，無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)主要是指沿空掘巷和沿空留巷2種技術(shù)[3-4]，沿空掘巷是沿上工作面采空區(qū)留設(shè)一定寬度的煤柱或直接沿采空區(qū)掘進(jìn)下工作面的回采巷道，沿空掘巷將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，具有改善巷道應(yīng)力環(huán)境、提高煤炭回收率等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，沿空留巷則是將上工作面的回采巷道采用一定的技術(shù)手段或方法保留下來(lái)，用作下工作面的回采巷道，具有減少工程開(kāi)拓量、提高煤炭回收效率、改善工作面通風(fēng)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，相比而言，沿空掘巷的巷道圍巖維護(hù)條件優(yōu)于沿空留巷，沿空掘巷主要有無(wú)煤柱沿空掘巷、窄煤柱沿空掘巷和寬煤柱沿空掘巷3種類(lèi)型。

龐龐塔礦屬于霍州煤電集團(tuán)下屬礦井，井田位于山西省臨縣境內(nèi)，目前礦井主采9、10號(hào)煤層，為緩解工作面接替緊張局面，改善巷道維護(hù)條件，10號(hào)煤層采區(qū)內(nèi)工作面計(jì)劃采用窄煤柱沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行開(kāi)掘回采巷道，10號(hào)煤層厚度約11.8 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采技術(shù)，采高3.0 m，采放比1∶3，割煤和放煤步距均為0.8 m，本文以概況10號(hào)煤層某工作面為工程背景，通過(guò)分析綜放面沿空巷道基本頂巖層破斷機(jī)制，研究綜放沿空巷道煤柱應(yīng)力分布和窄煤柱變形特征，為10號(hào)煤層采區(qū)窄煤柱沿空掘巷技術(shù)提供基礎(chǔ)。

1 綜放面沿空巷道基本頂巖層破斷機(jī)制

工作面開(kāi)始回采，與工作面直接接觸的偽頂或直接頂破碎冒落，隨著工作面的不斷回采、推進(jìn)，基本頂懸空面積逐漸，巖層所受彎矩增加，當(dāng)所受基本頂巖層彎矩達(dá)到其強(qiáng)度極限時(shí)，在基本頂巖層邊緣位置開(kāi)始出現(xiàn)拉伸破斷，斷裂位置一般首先出現(xiàn)在工作面中部基本頂巖層，然后逐漸向兩端延伸擴(kuò)展，之后回采巷道中部基本頂巖層也開(kāi)始產(chǎn)生拉伸破斷，由于回采巷道側(cè)向煤柱的存在，對(duì)基本頂巖層有一定的支撐反力，導(dǎo)致極限彎矩呈弧形分布，連接兩側(cè)回采巷道破斷裂紋形成“O”形破斷，同時(shí)，基本頂巖層向下運(yùn)動(dòng)，位于中部區(qū)域的巖層所受彎矩增加較快，當(dāng)其到達(dá)極限強(qiáng)度時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)破斷裂紋，與回采巷道側(cè)的“O”形斷裂相互溝通，形成“X”形破斷，這就是基本頂“O-X”初期破斷機(jī)制，也稱(chēng)之為初次來(lái)壓，隨著工作面的不斷推進(jìn)，基本頂巖層可簡(jiǎn)化成“三固一簡(jiǎn)”模型，周期性垮落，這就是基本頂“O-X”周期破斷機(jī)制，也稱(chēng)之為周期來(lái)壓，工作面最終回采結(jié)束后，在回采巷道側(cè)將形成弧形三角拱結(jié)構(gòu)，致使下工作面沿空巷道圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境，下工作面基本頂基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，圖1給出了單一采動(dòng)工作面基本頂破斷機(jī)制。

圖1 單一采動(dòng)工作面基本頂破斷機(jī)制

上工作面回采結(jié)束后，回采巷道側(cè)形成了弧形三角拱結(jié)構(gòu)，在本工作面回采時(shí)，工作面走向方向的基本頂巖層破斷與上工作面類(lèi)似，同樣呈現(xiàn)周期性"O-X "破斷，但是由于沿空巷道受弧形三角拱結(jié)構(gòu)影響，基本頂巖層處于高應(yīng)力環(huán)境，從而導(dǎo)致沿空巷道上方的基本頂巖層沿上工作面形成的斷裂面破斷、回轉(zhuǎn)，與之相互契合，因此本工作面基本頂巖層破斷形式相對(duì)有所改變，圖2給出了重復(fù)采動(dòng)工作面基本頂破斷機(jī)制，當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，本工作面基本頂巖層會(huì)出現(xiàn)二次破斷現(xiàn)象。

圖2 重復(fù)采動(dòng)工作面基本頂“O-X”破斷機(jī)制

2 綜放沿空巷道煤柱變形特征

龐龐塔礦綜放沿空巷道煤柱變形特征采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，模型以龐龐塔礦10號(hào)煤層某工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，模型尺寸為200 m×160 m×150 m，模型四周及底部約束法向位移，上部施加7.5 MPa的應(yīng)力邊界等價(jià)于上覆載荷，模型參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料確定，模型基本尺寸示意圖如圖3所示。

2.1 綜放沿空巷道煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

圖4 給出了不同煤柱寬度（3~12 m）對(duì)應(yīng)的煤柱垂直應(yīng)力分布曲線，如圖所示，垂直應(yīng)力由巷道側(cè)向采空區(qū)側(cè)先增加后減小，煤柱寬度為3~12 m時(shí)，應(yīng)力曲線呈單一峰值狀態(tài)，峰值距沿空巷道相對(duì)更近，當(dāng)煤柱寬度為3 m和4 m時(shí)，應(yīng)力峰值僅為7.34 MPa和9.82 MPa，均小于原巖應(yīng)力，表明此時(shí)由于煤柱較窄，其承載能力不足以支撐上覆載荷，由此煤柱出現(xiàn)整體性破壞，當(dāng)煤柱寬度為5~9m時(shí)，應(yīng)力峰值逐漸增加，由12.73 MPa增加到了19.83 MPa，應(yīng)力峰值增加幅度達(dá)55.8%，表明一定范圍內(nèi)煤柱寬度的增加可有效增強(qiáng)煤柱承載能力，之后煤柱寬度繼續(xù)增加，應(yīng)力峰值也隨之增加，但是其增加幅度相對(duì)較小，由9 m寬煤柱的19.83 MPa增加至12 m寬煤柱的21.63 MPa，煤柱寬度增加了3 m，應(yīng)力峰值僅增加了1.8 MPa，表明9 m寬的煤柱即可滿足需求，繼續(xù)增加煤柱寬度雖可改善煤柱承載性能，但同時(shí)造成了煤炭資源的浪費(fèi)。

圖4 不同煤柱寬度內(nèi)的應(yīng)力分布特征

2.2 綜放沿空巷道煤柱巷道位移演化規(guī)律

圖5 和圖6分別給出了不同煤柱寬度下巷道頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃我?guī)律，由圖可知，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖變形呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量約600 mm，兩幫相對(duì)移近量約715 mm；當(dāng)煤柱寬度增加至5 m時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量均有不同程度的降低，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量約560 mm，兩幫相對(duì)移近量約680 mm；煤柱寬度繼續(xù)增加，圍巖移近量繼續(xù)減?。划?dāng)煤柱寬度為8 m時(shí)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量約400 mm，兩幫相對(duì)移近量約480 mm；煤柱寬度為3～8 m時(shí)，巷道處于上工作面采動(dòng)應(yīng)力降低區(qū)，煤柱自承能力較弱，寬度增加改善了煤柱承載性能，巷道變形減?。幻褐鶎挾壤^續(xù)增加（大于8 m），圍巖移近量開(kāi)始小幅度增加；當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量約420 mm，兩幫相對(duì)移近量約510 mm；當(dāng)煤柱寬度為12 m時(shí)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量約480 mm，兩幫相對(duì)移近量約590 mm；煤柱寬度為9～12 m時(shí)，煤柱具備一定的承載能力，煤柱變形開(kāi)始向巷道側(cè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致煤柱幫變形增大；總體來(lái)看，頂板移近量大于底板，煤柱幫移近量比實(shí)體煤幫，煤柱寬度的變化對(duì)巷道底板影響較小，對(duì)巷道幫部變形的影響較大，因此，后期支護(hù)應(yīng)采用必要的強(qiáng)化幫部煤體的技術(shù)措施。

圖5 不同煤柱寬度下巷道頂?shù)装逦灰?/p>

圖6 不同煤柱寬度下巷道兩幫位移

綜上所述，從煤柱應(yīng)力分布、變形特征以及工程技術(shù)和煤炭回收率角度，確定了龐龐塔礦10號(hào)煤層工作面煤柱寬度為8～10 m。

3 結(jié)論

綜放沿空巷道煤柱應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，巷道維護(hù)困難，本文揭示了綜放單一采動(dòng)和重復(fù)采動(dòng)工作面基本頂破斷機(jī)制，研究了不同煤柱寬度下綜放沿空巷道煤柱應(yīng)力分布與變形特征，研究表明，煤柱寬度直接影響巷道圍巖應(yīng)力分布和變形特征，煤柱寬度較小時(shí)，煤柱承載性能不足以控制巷道變形，煤柱寬度較大時(shí)，煤柱易向沿空巷道整體移動(dòng)，據(jù)此可以確定龐龐塔礦10號(hào)煤層工作面煤柱寬度應(yīng)在8～10 m之間。