小煤柱開采沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性研究

栗 東，李亞超

(1.晉能控股煤業(yè)集團 山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046013；2.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

常規(guī)護巷煤柱寬度多為20～30 m，大采深礦區(qū)護巷煤柱寬度達到40～60 m，大大降低了煤炭采出率，造成了煤炭資源的浪費[1-2]。因此，目前無煤柱或小煤柱技術(shù)得到了廣泛的推廣，但小煤柱沿空掘巷仍然存在諸多技術(shù)難題需要攻克[3-4]。

大量學(xué)者在小煤柱沿空掘巷方面開展了研究工作，張百勝等[5]采用FLAC3D數(shù)值模擬和巷道變形現(xiàn)場實測，對潞安集團阜生煤礦6 m大采高留小煤柱切頂卸壓沿空掘巷機理與圍巖控制進行了研究；畢慧杰等[6]采用深孔爆破的方法對小煤柱巷道頂板進行預(yù)卸壓，有效降低了頂板下沉量，小煤柱巷道圍巖得到了有效控制；任帥等[7]利用UDEC軟件模擬分析了注漿加固后不同煤柱寬度情況的損傷程度，提出了煤柱承載分尺寸分區(qū)分級特征；閆捷[8]提出了同忻煤礦5307巷煤柱側(cè)臨空硐室注漿加固治理方法，有效實現(xiàn)了小煤柱工作面的成功開采。綜上所述，切頂和注漿加固可以有效保證沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定。目前，水力壓裂技術(shù)在瓦斯治理和初采初放中得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有研究表明，水力壓裂技術(shù)與爆破技術(shù)具有相近的應(yīng)用效果[9-10]，但在切頂卸壓中的應(yīng)用仍然較少。因此，本文以三元煤業(yè)4306工作面回風(fēng)巷道沿空掘巷為背景，建立了FLAC數(shù)值計算模型，對比分析了留設(shè)5 m小煤柱時采用切頂注漿、不切頂注漿和不切頂不注漿3種情況下，4306回風(fēng)巷道的變形規(guī)律。

1 工程概況

山西三元煤業(yè)股份有限公司隸屬于晉能控股煤業(yè)集團。礦井核定生產(chǎn)能力260萬t/a。井田面積19.8 km2，批準開3號、9號、14號、15號煤層，煤層賦存條件良好，煤層傾角0～10°，現(xiàn)開采3號煤層。4302和4306工作面位于四采區(qū)(如圖1所示)，4306工作面位于4302工作面南部，小煤柱試驗區(qū)位于4302回風(fēng)巷道和4306回風(fēng)巷道之間，小煤柱留設(shè)寬度為5 m.

圖1 工程概況

1.1 巷道支護與小煤柱注漿設(shè)計

4306回風(fēng)巷道支護設(shè)計如圖2所示，共布置14根D22 mm×2 400 mm錨桿，左側(cè)(小煤柱側(cè))布置注漿錨索(2根D18.9 mm×4 300 mm注漿錨索，1根D18.9 mm×5 300 mm注漿錨索)，頂部布置3根D18.9 mm×9 300 mm錨索，靠近小煤柱側(cè)的1根為抗彎剪錨索，右側(cè)布置1根D18.9 mm×4 300 mm錨索。

圖2 巷道支護設(shè)計(mm)

1.2 水力壓裂切頂設(shè)計

水力壓裂切頂鉆孔設(shè)計如圖3所示，鉆孔需要打入老頂中，開孔位置距巷道頂角1.3 m，與頂板夾角為70°，與巷道走向的夾角為47.4°，孔深21.6 m，鉆孔直徑為56 mm，每間隔7 m布置1個鉆孔，共布置鉆孔156個。采用倒退式鉆孔壓裂方法，即從鉆孔底部開槽處向孔口依次進行壓裂，第一次壓裂位置距離孔底1.3 m，以后每倒退2.2 m壓裂1次，共壓裂4次，壓裂層位為孔深11.5～21.6 m.

圖3 水力壓裂鉆孔設(shè)計

2 數(shù)值計算模型的建立

根據(jù)上述工程情況，采用FLAC建立三元煤業(yè)小煤柱沿空回風(fēng)巷道變形分析數(shù)值模擬模型，如圖4所示。.

圖4 三元煤業(yè)小煤柱沿空回風(fēng)巷道變形分析數(shù)值模擬模型

模型長×寬×高=200 m×30 m×50.6 m.模型邊界條件設(shè)定為底面固定，四周法向位移約束，頂面施加上覆巖重8.38 MPa.巖石本構(gòu)模型采用摩爾庫侖模型，設(shè)其參數(shù)如表1所示。巷道支護結(jié)構(gòu)中金屬網(wǎng)采用shell單元進行模擬，設(shè)其彈性模量和泊松比分別為3.0 GPa和0.3，錨桿和錨索則采用cable單元進行模擬，設(shè)其彈性模量和泊松比分別為212 GPa和0.28.

表1 回風(fēng)巷道周邊不同巖層的物理力學(xué)參數(shù)

另外，為對比分析4302工作面開采過程中不同回風(fēng)巷道煤柱留設(shè)方案對4306回風(fēng)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，本文設(shè)計以下兩種數(shù)值模擬方案：

1) 方案1：小煤柱注漿切頂(實際方案)。對回風(fēng)巷道煤柱進行注漿加固，并在4302工作面開采前對4302回風(fēng)巷道上方關(guān)鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

2) 方案2：小煤柱注漿不切頂。對回風(fēng)巷道煤柱進行注漿加固，但不在4302工作面開采前對4302回風(fēng)巷道上方關(guān)鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

3) 方案3：小煤柱切頂不注漿。對回風(fēng)巷道煤柱不進行注漿加固，但在4302工作面開采前對4302回風(fēng)巷道上方關(guān)鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

4) 方案4：小煤柱不切頂不注漿。對回風(fēng)巷道煤柱不進行注漿，也不在4302工作面開采前對4302回風(fēng)巷道上方關(guān)鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

3 小煤柱沿空巷道變形破壞特征研究

3.1 豎向位移特征

4302工作面開采后，不同方案下4306回風(fēng)巷道圍巖的豎向位移分布如圖5所示?？梢钥闯觯?302采空區(qū)采動影響，煤柱注漿切頂條件下，4306回風(fēng)巷道最大沉降值出現(xiàn)在頂板表面中心偏靠煤柱的位置，其值約為144 mm.此時，其頂?shù)装逡平考s為160 mm，滿足使用的要求。煤柱注漿不切頂條件下，4306回風(fēng)巷道最大沉降值出現(xiàn)在頂板表面靠近煤柱的位置，其值約為210 mm，此時，其頂?shù)装逡平考s為240 mm，比注漿切頂條件下增加了33%.煤柱切頂不注漿條件下，4306回風(fēng)巷道最大沉降值出現(xiàn)在頂板表面靠近實體幫的位置，其值約為400 mm，此時，其頂?shù)装逡平考s為450 mm，比注漿切頂條件下增加了181%.煤柱不切頂不注漿條件下，4306回風(fēng)巷道最大沉降值出現(xiàn)在頂板表面靠近實體幫的位置，其值約為480 mm，此時，其頂?shù)装逡平考s為535 mm，比注漿切頂條件下增加了234%.可見，對沿空巷道小煤柱進行注漿切頂能夠很好地控制沿空巷道的頂?shù)装逦灰?，保證沿空巷道的正常使用。

圖5 不同方案下沿空巷道的豎向位移分布圖(mm)

3.2 水平位移特征

4302工作面開采后，不同煤柱留設(shè)方案下4306回風(fēng)巷道圍巖的水平位移分布如圖6所示。

圖6 不同方案下沿空巷道的水平位移分布圖

由圖可知，4302工作面開采后，煤柱注漿切頂條件下4306回風(fēng)巷道實體幫以及煤柱幫的最大水平位移均出現(xiàn)在兩幫表面中心位置，均為120 mm左右，滿足正常使用的要求。而煤柱注漿不切頂條件下，4306回風(fēng)巷道實體幫最大水平位移保持120 mm基本不變，而煤柱幫最大水平位移則增長至300 mm，比注漿切頂條件下增加了150%.煤柱切頂不注漿條件下，4306回風(fēng)巷道實體幫以及煤柱幫最大水平位移分別增長至600 mm和300 mm，且其出現(xiàn)位置相對靠下，嚴重影響了沿空巷道的使用安全。煤柱不切頂不注漿條件下，4306回風(fēng)巷道實體幫以及煤柱幫最大水平位移分別增長至720 mm和360 mm，比注漿切頂條件下增加了200%～500%.因此，對沿空巷道留設(shè)窄煤柱時，必須對窄煤柱進行注漿加固，必要的情況下還需對采空區(qū)頂板進行卸壓處理，否則會導(dǎo)致沿空巷道兩幫(尤其是煤柱幫)因水平位移過大而失穩(wěn)破壞。

3.3 圍巖破壞特征

4302工作面開采后，不同方案下4306回風(fēng)巷道圍巖的塑性區(qū)分布見圖7(紅色表示塑性屈服)。

圖7 不同方案下沿空巷道的塑性區(qū)分布圖

4302工作面開采后，煤柱注漿切頂條件下4306回風(fēng)巷道圍巖在頂板、底板、實體幫的塑性區(qū)破壞深度分別為3.0 m、1.0 m以及3.0 m，在煤柱幫的塑性區(qū)則與4302回風(fēng)巷道連通導(dǎo)致整個窄煤柱都發(fā)生了屈服，但由于對窄煤柱進行了注漿加固以及切頂卸壓處理，因此，整個窄煤柱破壞程度相對較輕，仍保留有較高的承載能力，較為穩(wěn)定。煤柱注漿不切頂條件下，4306回風(fēng)巷道圍巖的塑性區(qū)分布范圍與注漿切頂條件下相當，但此時，由于4302采空區(qū)頂板不再沿著水力壓裂薄弱面發(fā)生垮落，而是沿著4302回風(fēng)巷道邊界面整體切落，這將導(dǎo)致窄煤柱上方大范圍巖體仍直接作用于窄煤柱上，不利于窄煤柱的安全。煤柱切頂不注漿條件下，雖然水力壓裂切頂降低了作用在窄煤柱上方的壓力，但由于不注漿條件下窄煤柱本身承載力十分有限，因此在采空區(qū)集中應(yīng)力作用下窄煤柱破壞程度反而更大，其殘余承載力也最低。不注漿不切頂條件下，預(yù)留窄煤柱不僅會發(fā)生整體屈服破壞，而且4306巷道頂板圍巖塑性區(qū)還將與采空區(qū)塑性區(qū)大面積相連，導(dǎo)致沿空巷道凈空間嚴重縮小而不再滿足使用要求。

4 結(jié) 語

本文針對三元煤業(yè)小煤柱沿空巷道穩(wěn)定性情況，利用FLAC數(shù)值模擬軟件，模擬分析了4種不同方案下小煤柱沿空掘巷巷道的變形破壞規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 切頂注漿、注漿不切頂、切頂不注漿以及不切頂不注漿4種方案下，4306回風(fēng)巷道頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為160 mm、240 mm、450 mm和535 mm.

2) 切頂注漿、注漿不切頂、切頂不注漿以及不切頂不注漿4種方案下，4306回風(fēng)巷道煤柱幫和實體幫的最大水平位移分別為120 mm和120 mm、300 mm和120 mm、600 mm和300 mm、720 mm和360 mm.

3) 切頂注漿可以有效降低4306回風(fēng)巷道的變形，在此情況下，巷道頂板、底板、實體幫圍巖的塑性區(qū)破壞深度分別為3.0 m、1.0 m以及3.0 m.