大采高綜放小煤柱沿空掘巷圍巖穩定性數值模擬研究

彭林軍 周光華 宋振騏 王金平 何維勝

(1.大連大學院士創業園，遼寧省大連市，116622；2.國能寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏自治區銀川市，750011；3.國能寧夏煤業集團有限責任公司羊場灣煤礦，寧夏自治區銀川市，750011)

近年來,無(小)煤柱巷道在我國取得了較大的發展[1-3]。隨著煤礦開采強度和深度的增加，沿空掘巷小煤柱巷道受二次采動動壓影響更為劇烈。因此，研究在不同采動條件下，掌握以“巖層運動和支承壓力分布”為核心[4-11]，建立其動態結構力學模型,實現由大煤柱護巷的傳統開采系統向無(小)煤柱護巷開采體系的變革,是煤礦開采圍巖破裂災變機理及其控制的關鍵。

我國學者針對采動巷道圍巖控制問題，進行了大量的相關研究工作[12-15]，豐富了采動巷道圍巖控制理論,解決了大量的小煤柱巷道圍巖控制問題；但對于大采高綜放開采煤柱尺寸對采動巷道的影響程度以及小煤柱異型巷道產生非均勻大變形的力學本質仍需進一步研究，要為小煤柱巷道找到更加合理的支護方案[16-18]。本文針對羊場灣煤礦小煤柱巷道非均勻大變形控制難題,研究沿空留設6 m小煤柱時，回風巷道圍巖塑性區分布形態與應力分布規律以及采場覆巖結構運動特征，揭示了小煤柱巷道非均勻變形的機理，提出具有針對性的控制對策并進行井下試驗，對支護效果進行評價。

1 礦井工作面概況

130205工作面位于羊場灣一號井田東部，地形低緩平坦，起伏不大，地表為沙丘覆蓋，開采2#煤層，工作面寬度350 m，埋深650 m，煤厚8.2～10.7 m，平均煤厚8.4 m。2#煤層偽頂為炭質泥巖，直接頂為粉砂巖、細砂巖，其上部為中砂巖、細砂巖。

130205風巷開口位于13采區回風下山，機巷開口位于13采區膠運下山，按設計方位349°施工。130205工作面上鄰130203工作面(截至2015年1月19日，工作面已回采完畢)，130205風巷與130203機巷原留設35 m保安煤柱；工作面北以F201正斷層為界，南側以13采區井筒保安煤柱為界，130205工作面下部為原始煤層未進行采動，無采掘活動影響工作面掘進。距離130205工作面最近鉆孔柱狀圖為1916#鉆孔，如圖1所示；1916#鉆孔柱狀巖石力學參數如表1所示。

圖1 130205工作面(1916#)鉆孔柱狀圖

表1 130205工作面(1916#)鉆孔巖石力學參數

2 小煤柱沿空掘巷計算模型建立

數值模型中，各層巖體力學參數依據表1取值。模型的前后、左右邊界施加水平約束，模型的底邊界施加水平及垂直約束，根據模型的幾何尺寸劃分計算網格，考慮到模型單元總數的限制和對小煤柱沿空巷道圍巖應力分析進行區域集中性研究，建立數值模擬模型如圖2所示。工作面與風巷數值計算模型如圖3所示。

圖2 三維數值模型網格圖

圖3 工作面與風巷數值計算模型

3 風巷圍巖穩定性數值模擬分析

3.1 風巷掘進期間穩定性數值模擬分析

由地層變形云圖和巖體位移矢量圖可以看出，風巷掘進期間，風巷周圍巖體變形逐漸增大，尤其是拱頂附近變形值最大，風巷掘進至距開切眼350 m時，風巷附近變形最大值為114.4 mm。拱頂往上延伸，地層變形收斂幅度很快，向巖體內延伸5 m 后，圍巖變形基本在10 mm以內。底部最大隆起量約45 mm，由于斷面異形，兩側邊墻呈現明顯的變形不對稱分布。掘進期間風巷小煤柱幫最大變形為45 mm，實體煤幫最大變形為158 mm；頂板下沉量為114 mm，底鼓量為75 mm。巖體塑性區分布圖見圖4。

圖4 風巷掘進350 m巖體塑性區分布圖

風巷掘進期間巖體垂直應力SZZ(表示巖體最大垂直應力)和水平應力SXX(表示巖體最大水平應力)分布如圖5所示。

由圖5可知，巖體垂直應力SZZ分布：風巷兩幫應力大于頂部和底部，高應力區最大應力33.13 MPa，高應力區邊緣距離風巷7 m左右，高應力區核心距離風巷8.5 m左右；巖體水平應力SXX分布， 6 m煤柱在130203工作面幫的頂部SXX應力較大，最大值為19.76 MPa。在現有支護條件下，圍巖未出現明顯較大的拉應力，風巷整體穩定性較好。

3.2 回采期間圍巖穩定性數值模擬分析

130205工作面回采期間三維數值示意圖見圖6。

3.2.1回采期間工作面超前支承壓力分析

對130205工作面回采期間工作面超前支承壓力分析如圖7所示。

圖5 風巷掘進期間巖體應力分布圖

圖6 工作面數值模型開挖圖

回采期間工作面超前煤壁0～4 m為塑性區、低應力區，4～10 m為塑性區、高應力區，10～14 m為應力峰值區，14～50 m為應力高值區、緩降區?；夭善陂g工作面超前支承壓力分布如圖8所示。

3.2.2 回采期間工作面處圍巖應力分布圖

回采期間工作面處巖體應力分布見圖9。數值計算結果表明，6 m小煤柱中心處SZZ最大，應力值達8.05 MPa；巖體應力SXX主要在6 m小煤柱上部，尤其是靠近130203開采區上部，最大值為23.55 MPa。另外，應力計算表明，現有支護條件下，風巷受二次動壓影響，圍巖并未出現較大的拉應力區(壓應力為負值，拉應力為正值)，6 m小煤幫側主要受壓，只是在小煤柱煤幫出現較小范圍的拉應力區，其他部位拉應力仍小于1.0 MPa，這說明現有支護條件下，回采期間工作面處6 m小煤柱能夠保持整體穩定性。

圖7 回采工作面超前支承壓力及塑性區分布圖

圖8 回采期間工作面超前支承壓力分布曲線圖

3.2.3 回采期間應力峰值處風巷圍巖塑性區

回采期間應力峰值處圍巖塑性區分布見圖10。由圖10可知，靠近巷道實體煤幫回采期間塑性區并未明顯擴展，片幫深度約0.3 m。在小煤柱側幫的剪切和拉伸塑性區深度約0.8 m，回采期間應力峰值處風巷變形計算結果也表明小煤柱側幫變形較大，最大值為560 mm，因此，回采期間應力峰值處小煤柱側幫鼓幫深度約0.6 m。

回采期間應力峰值圍巖變形趨勢見圖11。從圖11可以看出，風巷不僅僅在實體煤幫和6 m煤柱之間存在相對移近變形，在風巷頂部和6 m煤柱之間也發生了相對變形，如圖11(a)箭頭所示，風巷頂部和6 m煤柱間夾角會變小，如圖11(b)藍色的圈表示，以夾角為中心，越遠離夾角位置的巖體變形趨勢會越大。

圖9 風巷回采期間巖體應力分布圖

回采期間應力峰值處巖體變形位移矢量圖見圖12。由圖12可以看出，隨著工作面的推進，回采期間應力峰值處風巷周圍巖體變形逐漸增大，6 m小煤柱幫變形明顯增大，在靠近小煤柱幫深度2.5 m范圍以內，風巷頂底板移近量為730 mm，其中頂板下沉量為460 mm，底鼓量為270 mm。兩幫移近量為870 mm，其中小煤柱幫為560 mm，實體煤幫為310 mm?；夭善陂g6 m小煤柱支護結構受力會增大，需要重點對6 m小煤柱進行加固。

圖10 回采期間應力峰值處巖體塑性區分布圖

圖11 回采期間應力峰值圍巖變形趨勢

3.2.4 回采期間應力峰值處風巷穩定性分析

回采期間工作面處煤層開采巖體塑性區分布圖與裂隙發展區域示意圖見圖12，大采高工作面推進過程中，工作面煤壁在支承壓力作用下，沿推進方向在一定范圍內產生破壞。

因此，根據煤層開采巖體最大應力云圖的分布特點以及相對應的煤層塑性區分布圖，計算得到的煤壁片幫情況如下：

(1)130205開采面側6 m煤壁(圖中I區)深度0～2.0 m為拉伸和剪切塑性區，為典型的鼓出形式破壞，在支承壓力作用下，煤體自身強度的降低導致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片幫；

(2)130203開采面6 m小煤柱(圖中II區)深度0～1.5 m為拉伸和剪切塑性區，在支承壓力作用下，煤體自身強度降低導致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片幫；

(3)風巷實體煤壁(圖中III區)深度0～2.5 m和頂部深度范圍內，巖體破碎較嚴重，存在剝落趨勢；

(4)6 m小煤柱中心2.0～4.5 m范圍內盡管部分煤層進入塑性區，但主要為剪切塑性區，最小主應力為壓應力，并不存在片幫，巖體破碎程度不劇烈。

綜合分析表明，6 m小煤柱中心處約有1.5 m是非破碎區。

圖12 巖體塑性區分布圖與裂隙重點發展區域

4 結論

(1)通過數值模擬分析得出，小煤柱風巷巖體塑性區范圍為0～10 m，高應力區范圍為10～14 m；14～50 m為應力高值區、緩降區。130205沿空巷道區段煤柱留設6 m寬度在塑形區范圍內，尺寸合理。

(2)風巷掘進期間頂底板移近量189 mm，兩幫移近量203 mm?；夭善陂g工作面峰值處，風巷頂底板移近量730 mm，兩幫移近量870 mm。6 m小煤柱中心處約有1.5 m是非破碎區。

(3)區段煤柱應在滿足安全生產的前提下，盡量減少煤柱寬度，從而將回采巷道完全布置在應力降低區內，更有利于巷道的維護、煤柱的穩定性，達到安全高效生產。