迎采巷道采動擾動下合理小煤柱寬度研究

杜夢遠

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

沿空掘巷是在毗鄰工作面回采后，沿采空區邊緣留窄煤柱掘巷，沿空巷道處于側向支承壓力降低區，使巷道處在較為有利的應力環境下。通過留設合理的區段煤柱、采取合理的支護技術可以保證巷道在掘進及本區段工作面回采期間圍巖變形較小。另外，相對于沿空留巷，沿空掘巷工藝簡單，無需充填體，巷道支護費用低，更利于推廣[1-4]。目前，沿空掘巷必須在毗鄰工作面回采后且上覆巖層活動基本穩定以后進行，這給工作面順序采掘帶來諸多困難，而迎回采面沿空掘巷可有效緩解接替緊張。但迎回采面沿空掘巷要經歷臨近工作面全過程動壓影響，在巷道服務期間要經歷兩次采動影響，巷道變形劇烈，維護困難。除了高強度的巷內支護，合理的煤柱寬度也是保證迎采巷道圍巖穩定的關鍵因素[5-7]。本文以王莊煤礦6208工作面運輸巷沿空掘巷為背景，建立FLAC計算模型，分析采動擾動下迎采小煤柱巷道圍巖應力演化規律，確定窄煤柱的合理寬度。

1 工程背景

王莊煤礦位于長治市郊區故縣，現年生產能力可達700萬t，屬于特大型礦井。3號、4號煤層為全區穩定可采煤層。現主采3號煤層，煤層厚度為6.18～7.44 m，平均厚度6.6 m。煤層偽頂為炭質泥巖，平均厚度 3.5 m；老頂為泥巖、砂質泥巖，平均厚度 4.4 m；直接底為泥巖、砂質泥巖，平均厚度3.1 m；老底為中砂巖，平均厚度2.9 m。6208工作面運輸巷一側為實煤體，另一側與6207工作面采空區相鄰，為了進一步加強6208工作面運輸巷的維護情況，采用留設小煤柱護巷的方法。工作面平面布置示意如圖1所示。

圖1 6208工作面平面布置示意(m)

2 數值模型建立

為了研究不同護巷煤柱寬度情況下6208工作面運輸巷圍巖內部應力分布規律，利用有限差分軟件 FLAC軟件建立了數值模擬模型，模型尺寸為長×寬×高= 300 m×4 m×80 m，模型各巖層力學參數依據現場所取巖塊經實驗室力學實驗測試結果，材料力學變形符合“摩爾-庫侖”準則。該模型上表面設定為應力邊界；同時底邊界在垂直方向固定，兩側邊界和前后邊界水平方向固定。工作面回采巷道模擬斷面為寬×高= 4 m×3 m 。數值模型計算過程為：建立數值計算模型—平衡計算—王莊煤礦6207工作面回采計算—6208運輸巷掘進—計算結果輸出與分析。各巖層的物理力學參數，如表1所示[8]。

3 合理煤柱寬度模擬結果

3.1 不同煤柱寬度條件下巷道圍巖的變形規律

煤柱分別為4 m、6 m、8 m、12 m、15 m、30 m寬度時，模擬掘進和回采過程，得到巷道兩幫的水平位移云圖，如圖2。

表1 各巖層物理力學參數

圖2 巷道圍巖位移云圖

從圖2可知，當煤柱寬度從4 m變化至30 m時，巷道兩幫的位移并不是簡單的呈現增大或減小的變化，而是有著一定的變化規律，如圖3所示。

圖3 巷道兩幫變形量

從圖3可以看出，煤柱寬度為4 m時雖然巷道也處在側向采動壓力的降低區域內，但因為存在施工中的采動及擾動作用，造成了承載能力的缺失，巷道總的變形要比6 m或8 m寬度的煤柱更為嚴重；在煤柱寬度為12～15 m的條件下，巷道位于工作面側向采動應力的峰值區域內，其在水平方向所造成的變形也比6～8 m寬度的煤柱要大，當進一步加大煤柱的寬度，護巷煤柱內的支承壓力峰值以及煤柱變形都有相應的降低并最終趨于穩定，但留設過大的煤柱尺寸將不利于煤炭資源的回收與利用；在煤柱尺寸為6～8 m，掘進施工時會因為受采動擾動而承受一定階段的側向采動應力峰值作用，但掘進完后，側向采動應力會長期處于降低區，對巷道的長期穩定有利。

3.2 不同煤柱寬度對兩幫垂直應力分布特征的影響

為了進一步確定6208運輸巷護巷煤柱的合理寬度，繼續采用數值模擬的方法對6～8 m范圍內不同寬度煤柱在采動應力的影響下的應力分布規律進行研究。數值模擬實驗所采用的煤柱寬度方案分別為6.4 m，6.8 m，7.2 m，7.6 m。在掘進巷道且覆巖穩定后分別監測不同方案中巷道兩幫，即煤柱幫與實體煤幫內部的垂直應力分布規律。將不同煤柱寬度方案下的監測數據導出并繪圖，如圖4、圖5所示。

圖4 6～8 m 范圍內不同煤柱寬度沿空巷道兩側應力分布

圖5 6～8 m 范圍內不同煤柱寬度垂直應力分布狀態

由圖4、圖5可以看出，煤柱寬度對巷道兩幫內的應力分布規律有著非常明顯的影響，隨煤柱寬度的增加，實體煤幫及窄煤柱內垂直應力的峰值不斷增大，但其增大的幅度較小。在煤柱寬度為6.8 m或者7.6 m時，巷道實體煤內的應力峰值距離巷道的距離較6.4 m和7.2 m的煤柱寬度條件下而言要小，由此可以看出在6.8 m和7.6 m煤柱尺寸的條件下，應力峰值距煤幫較近，淺部煤體承載能力增強，巷道圍巖較為穩定，有利于巷道整體的維護。

綜合以上，為了能夠盡量使得護巷煤柱長期處于側向采動壓力的減低區內，并綜合考慮工作面側向采動壓力的分布規律、巷道圍巖內的應力分布規律以及巷道圍巖變形等多種不同情況，最終將護巷煤柱寬度確定取值為7.6 m。

4 工業性試驗及效果分析

根據模擬結果，在6208運輸巷留設7.6 m護巷煤柱進行施工，為了驗證模擬結果的可行性和可靠性，在巷道中布置綜合測站以監測巷道在掘進和回采期間的圍巖變形。如圖6、圖7。

圖6 掘進期間綜合測站點巷道表面變形情況

圖7 回采期間綜合測站點巷道表面變形情況

從圖6可以看出，試驗巷道掘進期間，隨著監測天數的增長，即隨著距掘進迎頭的增長，巷道頂底板移近量最大值為125 mm左右，兩幫移近量為238 mm左右，巷道變形量在預計范圍內，巷道圍巖變形趨于穩定。

從圖7中可以看出，在6208工作面回采期間，最終頂底板移近量，即最后觀測距離工作面5 m時，為325 mm 左右，最終兩幫移近量485 mm 左右，巷道可以滿足回采期間的使用要求。

5 結 語

1) 本文通過應力場分布和巷道表面位移2種因素，采用數值模擬方法分析迎采動工作面沿空掘巷合理煤柱寬度，最終確定王莊礦迎采動工作面沿空掘巷合理煤柱寬度為7.6 m。

2) 煤柱寬度對巷道兩幫內的應力分布規律有著非常明顯的影響，在7.6 m煤柱尺寸的條件下，應力峰值距煤幫較近，淺部煤體承載能力增強，巷道圍巖較為穩定。

3) 工業性試驗表明采用7.6 m小煤柱，保證了煤柱的承載能力，滿足了巷道圍巖變形要求，具有較好的技術效果。