基本頂斷裂形式對窄煤柱護(hù)巷穩(wěn)定性影響分析

呂 振 孫 賡 樊浩冬

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

上區(qū)段工作面回采形成的采空區(qū)導(dǎo)致煤體上方基本頂發(fā)生斷裂，斷裂線的位置影響護(hù)巷窄煤柱的穩(wěn)定性。當(dāng)斷裂線出現(xiàn)在不同位置時(shí)，窄煤柱內(nèi)礦壓分布特征和沿空掘巷后巷道圍巖受力特征均會(huì)有不同。所以，研究分析基本頂發(fā)生斷裂的位置與窄煤柱穩(wěn)定性之間的關(guān)系，對掘巷位置以及上覆巖層這個(gè)“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定都有很重要的作用[1-2]。

關(guān)于窄煤柱沿空掘巷覆巖破斷特征對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，前人已做了大量的研究[3-8]。查文華等[9]理論計(jì)算了煤柱寬度和基本頂斷裂位置。王帥等[10]通過UDEC 非線性數(shù)值模擬軟件，對3 種模型進(jìn)行模擬研究。

潞安集團(tuán)常村煤礦之前采用傳統(tǒng)的寬煤柱護(hù)巷方式，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為30 m，受巷道地應(yīng)力、上區(qū)段采空區(qū)的側(cè)向支承壓力等因素影響，不僅使巷道圍巖控制難度增大，而且煤炭資源嚴(yán)重浪費(fèi)。為進(jìn)一步提高煤炭采出率，結(jié)合該礦實(shí)際地質(zhì)條件和開采條件，針對基本頂不同斷裂位置以及窄煤柱不同尺寸的問題，深入研究窄煤柱沿空巷道的圍巖控制方法。

1 基本頂不同斷裂位置覆巖運(yùn)動(dòng)特征

為研究分析基本頂不同斷裂形式時(shí)護(hù)巷窄煤柱破裂方式，依據(jù)常村煤礦實(shí)測煤巖力學(xué)參數(shù)，建立UDEC 數(shù)值模型。模型寬度為80 m，高度為38 m，巷道寬5 m，巷道高3 m，模擬基本頂斷裂在上區(qū)段采空區(qū)側(cè)、窄煤柱上方、巷道上方和巷道實(shí)體煤側(cè)4 種斷裂位置。

圖1 為掘巷前煤柱破裂形式。當(dāng)斷裂在采空區(qū)和煤柱上時(shí)，煤柱上承擔(dān)的巖塊B 的范圍較小，受到巖塊B 運(yùn)轉(zhuǎn)影響較小，煤柱破碎從上端開始發(fā)生拉伸破壞，逐漸向下向內(nèi)擴(kuò)散，在內(nèi)部形成剪切破壞。基本頂破裂線在巷道上方和實(shí)體煤側(cè)上方時(shí)，煤柱整體受到巖塊B 下沉回轉(zhuǎn)影響，破裂下端開始發(fā)生拉伸破壞，破裂范圍較大，不利于掘巷時(shí)承載。從煤柱破壞整體來看，當(dāng)煤柱較窄時(shí)，基本頂破斷在巷道和實(shí)體煤上時(shí)，比破斷在采空區(qū)和煤柱上煤柱強(qiáng)度略高。

圖1 掘巷前煤柱破裂形式

掘巷后階段，巖塊B 和巖塊A 向采空區(qū)方向的垂直方向和水平方向的下沉運(yùn)動(dòng)都達(dá)到最劇烈程度，導(dǎo)致巷道圍巖呈現(xiàn)出巷道頂板發(fā)生向下的較大撓度變形，破碎較嚴(yán)重，巷道圍巖在水平方向上受到基本頂?shù)臄D壓同樣產(chǎn)生較大程度破壞。如圖2。

圖2 掘巷后覆巖運(yùn)動(dòng)特征

圖3 為巷道圍巖破裂形式。當(dāng)基本頂在實(shí)體煤側(cè)破裂時(shí)，巷道圍巖破裂最嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)最劇烈，在靠近煤柱側(cè)底板發(fā)生較為明顯的底鼓現(xiàn)象，而頂板則是靠近實(shí)體煤側(cè)失穩(wěn)較嚴(yán)重；當(dāng)基本頂破裂位置在巷道上時(shí)，底板底鼓現(xiàn)象不太明顯但巷道兩幫破碎嚴(yán)重，頂板呈對稱分布向上發(fā)生冒頂；當(dāng)斷裂位置在采空區(qū)上和巷道上時(shí)，巷道整體失穩(wěn)形式相似，巖塊B 的回轉(zhuǎn)下沉對沿空巷道圍巖造成的影響較小。

圖3 巷道圍巖破裂形式

綜上所述，巖塊B 在整個(gè)過程中的位移變形方式影響著基本頂斷裂形成的鉸接結(jié)構(gòu)的變形特征，因此關(guān)鍵塊B 的整體位移變形對巷道圍巖控制起著非常關(guān)鍵的作用?；卷敂嗔丫€的位置距離巷道越遠(yuǎn)，對巷道圍巖變形破壞的影響就越小，巷道就越易進(jìn)行支護(hù)控制，在采取措施減弱基本頂斷裂對巷道的影響后，仍需要對煤柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)來實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

2 不同煤柱尺寸時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)特征

以基本頂斷裂在煤柱上方為背景，根據(jù)不同煤柱尺寸下基本頂斷裂位置建立UDEC 數(shù)值模型，巷道與采空區(qū)間預(yù)留設(shè)3 m、6 m、9 m、12 m 煤柱。

圖4 為不同煤柱寬度條件下的煤柱破裂形式。從整體破碎特征分析，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱整體被塑性區(qū)貫穿，基本喪失承載能力；當(dāng)寬度為6 m 時(shí)，靠近采空區(qū)邊緣仍發(fā)生較為嚴(yán)重的壓剪破壞，適當(dāng)提高煤柱強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)對圍巖變形控制是可行的；當(dāng)煤柱寬度為9 m 和12 m 時(shí)，煤柱只發(fā)生局部破壞，對掘巷影響逐漸減小。

圖4 煤柱破裂特征

掘巷后階段覆巖運(yùn)動(dòng)特征如圖5。不同煤柱寬度條件下的巖塊B 和巖塊A 向采空區(qū)方向的垂直方向和水平方向的下沉運(yùn)動(dòng)都達(dá)到最劇烈程度。當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱已完全失穩(wěn)，巷道圍巖在水平方向上受到基本頂?shù)臄D壓產(chǎn)生較大程度破壞，且整體向采空區(qū)側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，位移矢量布滿整個(gè)煤柱和巷道頂板；當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，煤柱向采空區(qū)和巷道內(nèi)發(fā)生滑移傾斜，巷道圍巖在煤柱側(cè)破壞較嚴(yán)重；當(dāng)煤柱寬度為9 m 時(shí)，煤柱靠近巷道側(cè)破壞較嚴(yán)重，頂板出現(xiàn)輕微下沉，巷道頂板與煤柱夾角出現(xiàn)向巷道內(nèi)側(cè)的輕微變形；當(dāng)煤柱寬度為12 m時(shí)，煤柱在基本頂回轉(zhuǎn)下沉的影響下，在煤柱靠近采空區(qū)側(cè)出現(xiàn)壓剪破壞，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。

圖5 掘巷后覆巖運(yùn)動(dòng)特征

圖6 為不同煤柱寬度條件下巷道圍巖破裂特征。當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，巷道兩幫破碎嚴(yán)重，頂板冒落高度較高，底板靠近實(shí)體煤側(cè)出現(xiàn)輕微底鼓，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)劇烈，不易進(jìn)行有效支護(hù)；當(dāng)寬度為6 m 時(shí)，巷道煤柱幫破碎比實(shí)體煤幫破碎嚴(yán)重，底鼓現(xiàn)象從3 m 煤柱靠近實(shí)體煤側(cè)轉(zhuǎn)移到靠近煤柱側(cè)，頂板冒落高度較3 m 煤柱有所降低；當(dāng)煤柱寬度為9 m 時(shí)，巷道頂板與煤柱之間拐角處發(fā)生向巷道內(nèi)偏移破壞，頂板和底板靠近煤柱側(cè)破壞較嚴(yán)重；當(dāng)煤柱寬度增加至12 m時(shí)，巷道兩幫發(fā)生輕微破壞，頂板和底板出現(xiàn)輕微滑移破壞，煤柱內(nèi)未破壞范圍也逐漸增大，利于巷道支護(hù)。

圖6 煤柱及巷道圍巖破裂特征

綜上所述，由不同煤柱寬度條件下巷道覆巖結(jié)構(gòu)及煤柱破裂形式可以看出，在覆巖形成破斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，隨著煤柱寬度的增加對巷道圍巖的影響越來越小。3 m 煤柱條件下巷道已難以支護(hù)，從6 m煤柱開始，巷道圍巖強(qiáng)度逐漸增加，進(jìn)行巷道圍巖有效支護(hù)同時(shí)提高煤柱的強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)對圍巖的變形控制。

3 結(jié)論

本文主要分析了窄煤柱沿空掘巷過程中基本頂斷裂形式對護(hù)巷窄煤柱的影響規(guī)律，得到了以下的主要結(jié)論：

1）基本頂斷裂線的位置距離巷道越遠(yuǎn)，對巷道圍巖的影響就越小，巷道就越易進(jìn)行支護(hù)控制，斷裂線位置在巷道向采空區(qū)側(cè)距離越遠(yuǎn)對巷道圍巖變形控制影響越小，在采取措施減弱基本頂斷裂對巷道的影響后，仍需要對煤柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)來實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖穩(wěn)定性的有效控制。

2）基本頂在形成斷裂結(jié)構(gòu)之后，隨著煤柱寬度的增加，對煤巷圍巖的影響越來越小，3 m 煤柱條件下巷道難以支護(hù)，從6 m 煤柱開始，巷道圍巖強(qiáng)度逐漸增加。