沿空掘巷工作面圍巖變形規律研究

王炳方

（汾西礦業水峪煤礦，山西 孝義 032300）

引 言

為了避免相鄰工作面之間已采工作面采空區側向支承壓力對未采工作面影響，需要在相鄰工作面之間設置一定寬度的煤柱，不僅造成資源的浪費，而且煤柱會對近距離開采的煤層產生較大的影響。沿空掘巷是一種窄煤柱護巷的技術，其是當工作面回采完畢采空區趨于穩定時，沿著采空區掘進下一回采工作面的巷道［1－4］。沿空掘巷既節約了煤炭資源，又會使掘進巷道處于應力降低區內，降低高集中應力對巷道圍巖變形的影響，減小支護難度。本文以某礦工作面為研究對象，分析了沿空掘巷工作面圍巖變形規律，為該工作面的巷道圍巖支護提供理論依據。

1 工作面概況

1505工作面位于某礦五采區，工作面北部為已回采完畢1503工作面，東部為五采區集中皮帶巷和軌道巷，西部為已經回采完畢的1501工作面。地面標高＋43.2m～＋44.8m左右，井下標高－705m～－850m左右，埋深約750m～900m左右，表土層厚度為580m左右。煤層厚度約2.0m～4.5m，平均厚度3.5m，煤層賦存穩定，煤層傾角為6°～10°。f＝1.7左右。為了避免資源的浪費，減小護巷煤柱的大小，1505工作面沿著已回采完畢的1503工作面掘進膠帶運輸巷。1505工作面位置示意圖見圖1。

圖1 1505工作面位置示意圖

2 沿空巷道上覆巖層結構

沿空掘巷由于相鄰兩工作面之間煤柱小，其上覆巖層結構與大煤柱巷道掘進不同，主要表現為靠近采空區一側巷道煤體受到采空區側向支承壓力的影響，由彈性狀態轉化為塑性狀態，其承載能力降低，處于不穩定狀態［5］。在外界擾動下，工作面上覆巖層直接頂垮落，直接頂沿斷裂線整體切斷垮落，而不存在巖層的縱向離層運動，直到垮落的巖石充滿整個采空區空間時，上覆巖層運動停止，其上覆巖層運動示意圖如第73頁圖2所示。

3 沿空巷道側向支承壓力分布規律

沿空巷道受到已采空工作面側向支承壓力和本工作面超前支承壓力的影響，而采空區側向支承壓力影響的大小取決于沿空掘巷所留煤柱的大小。隨著工作面向前推進，靠近采空區一側巷道圍巖應力升高形成應力集中區，當高集中應力超過邊緣煤體所能承載的極限時，巷道圍巖由彈性狀態轉化為塑性狀態，圍巖發生變形破壞。側向支承壓力向煤體深部轉移，在外界擾動的影響下，巷道頂板在工作面兩側發生斷裂破壞，形成內、外兩個應力場，其應力分布示意圖如圖3所示。圖3中，1為內應力場曲線，2為外應力場曲線。內應力場處于頂板斷裂線與煤體邊緣之間，其應力值較小；外應力場處于斷裂線外側，在斷裂線附近應力升高，形成應力升高區，應力向深部轉移，垮落巖石逐漸充滿采空區空間，巷道圍巖趨于穩定，應力值逐漸減小，最后穩定在原巖應力值大小。

圖2 沿空掘巷上覆巖層運動示意圖

圖3 工作面側向支承應力示意圖

4 煤柱尺寸對巖空巷道圍巖穩定性分析

4.1 模擬方案

沿空掘巷煤柱的尺寸決定巷道圍巖的穩定性，合理煤柱尺寸有利于沿空巷道的掘進安全。煤柱的尺寸過大會造成資源浪費，而煤柱尺寸較小也會影響巷道圍巖的穩定性，因此，需要對沿空巷道窄煤柱合理尺寸進行研究。采用FLAC3D數值模擬軟件對1505工作面沿空巷道不同尺寸大小巷道圍巖變形破壞情況進行分析，得到工作面沿空巷道合理煤柱尺寸。根據1505工作面巖層性質設定模型參數，建立50m×50m×40m模型，模型上方施加20MPa應力荷載，模擬三種情況的垂直位移、水平位移和塑性區范圍圖。其中，材料參數如表1所示。

表1 模型各巖層力學參數

4.2 模擬結果分析

采用FLAC3D對1505工作面沿空巷道留設4、5、6、7、8、9m 窄煤柱進行模擬，通過垂直應力圖對巷道圍巖變形破壞情況進行分析，得到不同煤柱尺寸垂直應力圖，如第74頁圖4所示。

由圖4可知，1505工作面沿空巷道與采空區之間窄煤柱寬度為4m～6m時，巷道頂板和兩幫垂直應力較小，沒有形成高集中應力區。根據模擬結果，煤柱內應力值的大小隨著煤柱寬度的大小逐漸增大，分別為4、5、6MPa。此時，沿空巷道窄煤柱最大垂直應力小，遠小于圍巖煤體的大小。

隨著煤柱寬度的繼續增大，當其寬度為7m～9m時，巷道頂板垂直應力小，沒有形成高集中應力區。根據模擬結果，煤柱內應力值隨著煤柱寬度的增大而逐漸增大，分別為9、12、14MPa，應力值變化顯著，煤柱內部的應力高，對巷道的圍巖穩定性產生一定的影響。

沿空巷道窄煤柱應力值隨著煤柱尺寸的增加而增大，當煤柱寬度為4m～6m時，煤柱內部應力值較小，沒有形成高集中應力區；當煤柱寬度為7m～9m時，煤柱內應力值增大，對沿空巷道穩定性產生一定影響。

根據1505工作面數值模擬垂直應力圖可知，沿空巷道煤柱應力值隨煤柱尺寸的增加而增大，當煤柱尺寸為6m時，煤柱內部出現初始應力區，此時，煤柱內部存在穩定的支承核，有利于保障沿空巷道的穩定性，保證沿空巷道安全掘進。

5 結論

1）以某礦沿空巷道1505膠帶運輸巷為研究對象，研究了沿空掘巷上覆巖層結構，得到了上覆巖層運動破壞規律；并對沿空巷道側向支承壓力分布規律進行分析，得到了巷道內、外兩個應力場分布規律。

圖4 不同煤柱尺寸巷道圍巖垂直應力圖

2）采用采用FLAC3D對1505工作面沿空巷道留設4、5、6、7、8、9m 窄煤柱進行模擬，通過垂直應力圖對巷道圍巖變形破壞情況進行分析，得到了煤柱為6m時最優，有利于沿空巷道的圍巖穩定性。