窄煤柱應力特征對沿空巷道位置影響的研究

摘要：針對沿空掘巷合理小煤柱尺寸確定難的問題，本文采用相似模擬方法研究了留設不同寬度煤柱的條件下風巷圍巖屈服破壞和變形特征；采用數值模擬方法研究了風巷圍巖應力特征。根據兩種方法研究的結果最終確定煤柱寬度5m為合理煤柱尺寸。

關鍵詞：沿空掘巷 窄煤柱 相似模擬 數值模擬

0 引言

窄煤柱沿空掘巷的力學環境與實體巷道不同，在采空區邊緣煤體存在一個相對低應力區，即煤體內的破裂區和塑性區。老頂破裂位置常位于煤體彈塑性交接處，煤層頂板巖層存在較為堅硬的巖層破斷后形成的結構直接影響沿空巷道的圍巖穩定性，沿空掘巷布置在支護載荷相對較小的應力區域，煤柱留設寬度的大小直接影響沿空掘巷圍巖穩定性[1]。在巷道開挖之前，上區段采空區上覆巖層運動已趨于穩定，沿空掘巷的位置處于上覆巖層的極限平衡狀態的殘余支承壓力范圍內，沿空掘巷破壞了原有的平衡，在巷道邊緣形成新的破裂區、塑性區和彈性區，支承壓力向煤體深部移動[2]。

1 地質條件

某礦10#煤層的結構復雜，10#煤層的平均埋深為182m。頂板上方巖層主要有泥巖、砂巖和砂質頁巖等，底板為泥巖和砂巖，其抗壓強度為23.29～48.9MPa，屬于中硬底板，泥巖有遇水軟化或崩解性，對巷道圍巖穩定不利。回采工作面采用綜放開采，底層采高3m。煤厚度1～10.7m，采放比0.3～3.57。煤層產狀平緩，傾角一般為2-8°。褶皺構造和斷裂構造不發育，對巷道圍巖的穩定性影響不大。井田內的充水因素主要是煤層以上碎屑巖裂隙含水層，頂板巖石遇水軟化而影響巷道圍巖的穩定性。

2 物理模擬研究

2.1 模型設計

選用實驗室現有的長×高×厚=3000mm×3000mm×200mm的大型平面應變柔性加載試驗裝置。根據原型條件和試驗裝置條件，確定相似比為：幾何相似比αl=1/35=0.0286；容重相似比αr=1.5/2.5=0.6；應力與彈性模量相似比ασ，E=αl·αr=0.0172；載荷相似比αF=α×αr=1.4×10-5；應變與泊松比相似比αε=1；時間相似比αt= =0.169。

模型中的骨料為河砂，通過篩分控制各粒級比例。錨桿與錨索材料：模型中的錨桿和錨索均采用?覫1.8mm的鋁絲制作。在錨桿的軸線方向每隔20mm，固定一個φ3.2×7mm的鋁鉚釘。在錨索的軸線方向每隔40mm，固定一個φ3.2×7mm的鋁鉚釘。托板采用φ8mm，厚0.8mm的金屬墊片代替。錨桿梁采用厚0.3mm，寬8mm的薄鐵皮制作，金屬網采用塑料窗紗代替。上覆巖層的重力用皮囊充氣加載。

2.2 試驗結果

試驗結果顯示，當煤柱寬度為9m（模型257mm）時，煤柱開始屈服，巷道圍巖出現細小破裂紋，主要是在靠近煤柱的頂底角。

當煤柱寬度5.5m（模型157mm）時(如圖1)，煤柱發生明顯破壞，巷道圍巖出現嚴重破裂，在頂板和煤幫的破壞深度均在3m左右。當煤柱寬度2.0m（模型57mm）時(如圖2)，上區段采空區的直接頂板和基本頂板同時垮落，垮落角為65°，此時巷道圍巖破壞程度進一步加劇。當煤柱尺寸為9m時，煤柱屈服，頂板下沉量達到117mm，兩幫相對移近量達到186mm。當煤柱尺寸達到5.0m時，圍巖破裂加劇，頂板下沉量達到488mm，兩幫移近量達到362mm。

3 數值模型

3.1 網格劃分

研究對象為留設小煤柱的沿空巷道錨桿支護參數，模型設計的幾何形狀為寬×高=200m×100m。在巷道兩幫和頂板5m范圍內，間隔為0.5m劃分網格，上邊界以加載方式模擬埋深230m。煤巖層按照實際地層情況進行網格劃分。

3.2 邊界條件

上邊界沒有約束：由于模型的規模所限，使之難以模擬至地表，部分上覆巖層必須以載荷方式施加于模型上邊界。

在模型前、后和左、右邊界，采用零位移邊界條件，具體處理如下：①前后和左右邊界取u=0，v≠0（u為x方向位移，v為y方向位移），即單約束邊界；

②下部邊界取u=v=0，為全約束邊界。

3.3 數值模擬結果

數值模擬采用了6種方案，煤柱寬度分別為1m、2m、3m、4m、5m、6m和7m，分別從巷道圍巖屈服深度和應力特征對留設窄煤柱合理寬度進行研究。在模擬條件下，煤柱寬度小于3m時風巷煤柱屈服破壞；當煤柱寬度大于4m，在煤柱內存在未屈服區域；當煤柱寬度小于3m時，煤柱內的應力小，主要是由于圍巖屈服破壞降低了煤柱的承載能力。煤柱寬度為3m時，煤柱內的垂直應力和主應力均為模擬方案中最大值，煤柱水平方向的應力相對較小。當煤柱寬度超過4m時，圍巖應力趨于相對穩定狀態，如圖3所示。結合現場地質條件，綜合考慮留設煤柱寬度對風巷圍巖穩定影響，確定煤柱寬度為5m。

4 現場觀測

在風巷外口610米長的巷道范圍內對風巷頂板深部位移、頂底板和兩幫位移進行了礦壓觀測，布設了4個測站，開始每3天觀測一次，以后每周觀測一次，直至工作面回采到該測段以外60米處結束。觀測結果如表1所示，回采期間頂底板和兩幫相對移近量不超過530.85mm和390.32mm，巷道圍巖變形得到了有效控制，煤柱整體穩定。

表1 風巷圍巖位移觀測結果

5結論

為了減小沿空巷道圍巖變形破壞，需留設合理尺寸小煤柱。根據側向煤體殘余支承壓力分布特點，將巷道布置在支承壓力相對較小的位置能有效地控制圍巖變形和破壞。合理支護結構對巷道圍巖加固和應力狀況的改善能起到明顯作用，使巷道四周均得到有力支撐，支護結構和圍巖共同作用使巷道整體處于穩定結構。

參考文獻：

[1]錢鳴高，石平五，礦山壓力與巖層控制中國礦業大學出版社.

[2]李順才，柏建彪，董正筑，綜放沿空掘巷窄煤柱受力變形與應力分析，礦山壓力與頂板管理.2004.№3:17~19.