晉華宮礦大采高工作面臨空小煤柱巷道變形規(guī)律研究

蘇耀杰，張曉東，高云峰

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦 山西 大同 037000）

1 背景

從礦井的開拓、巷道布置以及延長礦井服務年限考慮，工作面布置需保留一部分煤柱，用以支撐上覆巖層[1，2]。煤柱寬度對維持采場圍巖穩(wěn)定的重要性越來越突出，選擇較小的煤柱寬度在保證安全生產的基礎上，亦能減少煤炭資源額的浪費，提高礦井總體經濟效益[3，4]。隨著各種復雜條件下巷道圍巖控制技術和支護技術水平的提高，保證了沿空巷道在掘進和回采過程中的穩(wěn)定性，能夠保證礦井安全生產[5]。大采高小煤柱工作面在回采期間巷道圍巖變形較大，為工作面回采增加了困難。特別是大同礦區(qū)堅硬頂板條件下，由于上覆頂板難以垮落，對于留設的煤柱和巷道壓力較大，導致巷道變形劇烈，對于巷道圍巖變形規(guī)律的研究也就顯得更加重要。

針對上述難題，在學習借鑒前人的研究成果基礎之上，晉華宮礦首次在河南區(qū)域12-2#層301 擴區(qū)組織開展了大采高小煤柱工作面回采試驗，并對堅硬頂板條件下大采高工作面臨空小煤柱巷道變形規(guī)律進行了研究。

2 工程概況

晉華宮礦河南12-2#層301 擴區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，結構簡單，煤層走向北東，傾向北西。12-2#層上覆為7-4#層 8101、8103、8105 采空區(qū)，層間距約 51 m。12-2#層301 擴區(qū)水文地質條件簡單，該區(qū)域無大的含水層發(fā)育，無小窯井口，掘進過程中同層無小窯破壞區(qū)。

12-2#層301擴區(qū)共布置大采高小煤柱工作面3個，分別為 8101、8103、8105 工作面，留設煤柱寬度為6 m。8103工作面走向長度632 m，傾向長度157 m，傾角5°，厚度5.20 m，平均采高4.5 m，埋深338 m。8103工作面頂板以砂巖與砂質頁巖互層為主，屬于堅硬頂板類型，底板以砂質頁巖、粗砂巖為主。

圖1 巖層柱狀圖

3 數值模擬分析

3.1 煤柱應力變化規(guī)律

以8103工作面的工程地質條件為研究基礎，以工作面地質說明書綜合鉆孔柱狀圖為基礎，采用FLAC3D進行數值模擬分析，建立數值模型，模型尺寸為150 m×150 m×40 m，如圖2所示。

圖2 數值模型示意圖

模型邊界條件為：模型底面限制縱向位移為w=±0.01 m，模型四個側面限制橫向位移u=±0.01 m，模型頂部施加8.4 MPa 垂直載荷，模擬上覆338 m 巖層自重，本構模型采用莫爾-庫倫模型。重點分析8103 工作面臨空巷道（5103 巷）小煤柱內部應力及巷道超前范圍應變分布規(guī)律。根據晉華宮礦采礦地質資料及實驗室?guī)r石力學實驗結果，確定工作面煤層及各巖土層力學參數見表1所示。

表1 晉華宮煤礦巖層物理力學參數

3.2 煤柱應力變化規(guī)律

6 m小煤柱內部應力分布如圖3所示。

圖3 煤柱內部應力分布圖

由圖3可以得到：

（1）煤柱中垂直、水平應力呈單峰值分布。垂直應力峰值為13.9 MPa，峰值位置偏離煤柱中心距離約0.7 m，靠近采空區(qū)側。水平應力峰值為8.8 MPa，峰值位置偏離煤柱中心約0.5 m，靠近采空區(qū)側；

（2）煤柱中垂直應力大于水平應力；

（3）煤柱中垂直應力大于原巖應力的范圍為1.4 m～4.0 m，由此可見該類地質條件下，巷道側煤柱破壞范圍約為2.0 m，采空區(qū)側煤柱破壞范圍約為1.4 m。

3.3 臨空巷道位移變化規(guī)律

6 m小煤柱臨空巷道位移分布如圖4所示。

圖4 臨空巷道位移分布圖

由圖4可見：

（1）由于超前采動壓力影響，小煤柱圍巖急劇破碎。超前30 m 范圍內，頂底板移近量變化明顯，最大值為793 mm。超前40 m 范圍內，臨空巷道幫部移近量最為明顯，最大值為1 530 mm。

（2）采用6 m小煤柱護巷技術，工作面超前段兩幫移近較頂底板下沉更為明顯，受影響范圍更大。

4 工程實踐

4.1 5103巷道支護

5103 巷道凈寬4.5 m，凈高3.8 m，采用錨索、錨桿聯(lián)合支護，頂板四排樹脂錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm，間排距為1.0 m×1.0 m；頂板中間三排φ21.8 mm×8 000 mm 恒阻錨索，采用五花布置（3-2-3），排距2.0 m；兩排φ21.8 mm×6 000 mm 錨索，間距1.7 m；兩幫護幫鋪金屬網，采用兩排錨索、三排錨桿聯(lián)合支護，上排斜拉錨索規(guī)格φ17.8 mm×6 000 mm，排距為2.4 m；下排錨索規(guī)格φ17.8 mm×4 000 mm，排距為2.4 m；上排錨桿規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm，排距1.2 m；下兩排錨桿規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm，排距1.2 m，間距1.2 m，錨桿均配合W型鋼帶支護。

圖5 5103巷道支護示意圖

4.2 現場實測分析

（1）采用“十字布點”法，在5103巷超前100 m范圍內進行位移變化觀測。臨空巷道超前100 m范圍內寬度及高度變化如圖6、圖7所示。

圖6 臨空巷道超前范圍寬度變化

圖7 臨空巷道超前范圍高度變化

通過“十字布點法”對臨空巷道表面位移觀測，發(fā)現超前50 m范圍內，巷道兩幫變形明顯，現場有炸幫、網包現象兩幫最大移近量約1.0 m。超前40 m 范圍內，頂底板移近量最明顯，現場實際主要是超前段底鼓嚴重，超前10 m～20 m范圍底鼓最大量為0.5 m。

（2）順槽超前范圍頂板、工作面幫、煤柱幫布置錨桿（索）測力計，錨桿、錨索測力計壓力變化如圖8、圖9所示。

圖8 臨空巷道頂板錨索壓力曲線

圖9 臨空巷道煤柱幫錨桿壓力曲線

從圖8、圖9可以看出，工作面回采期間，臨空巷道超前50 m 范圍內頂板、兩幫錨桿（索）壓力最大，其他區(qū)域趨于平緩，基本無變化，與初設預緊力數值相當。

5 結論

（1）通過數值模擬分析，小煤柱中應力垂直應力大于水平應力；小煤柱中應力呈單峰值分布，峰值位置在煤柱內偏向采空區(qū)一側；在超前采動影響下，臨空巷道超前0 m～40 m以內受煤柱影響作用明顯；

（2）現場實測數據標明，工作面回采期間，臨空巷道超前50 m范圍內，巷道網包、底鼓明顯，兩幫移近量大于頂底板移近量，這進一步說明：6 m小煤柱護巷技術的關鍵是煤柱穩(wěn)定性維護。