煤與瓦斯突出礦井沿空掘巷布置及優化研究

郭宇

摘 ?要：沿空巷道護巷煤柱尺寸關乎巷道圍巖的穩定。通過數值計算手段，分析了不同煤柱寬度條件下巷道圍巖應力場、位移場和塑性區的演化規律，并用現場試驗檢驗了回采期間煤柱的受力狀態和穩定性。研究表明，煤柱尺寸越小，煤柱承載能力越低，巷道塑性區越大，采動應力影響下可能導致煤柱塑性區與相鄰工作面采空區貫通。該沿空掘巷布置及優化分析方法和所積累的礦壓數據為礦井下一步推廣應用沿空掘巷技術提供了技術保障。

關健詞：煤與瓦斯突出;沿空掘巷;煤柱;礦壓顯現;數值計算

中圖分類號：TD32 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0109-02

Abstract： The coal pillar size of roadway protection is related to the stability of roadway surrounding rock. By means of numerical calculation， the evolution rules of stress field， displacement field and plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar widths are analyzed， and the stress state and stability of coal pillar during stoping are tested by field test. The results show that the smaller the coal pillar size is， the lower the bearing capacity of coal pillar is， and the larger the plastic zone of roadway is. The layout， optimization analysis method and the accumulated pressure data provide a technical guarantee for the popularization and application of the tunneling technology in the next step.

Keywords： coal and gas outburst; roadway driving along goaf; coal pillar; underground pressure; numerical calculation

沿空掘巷巷道的布置形式，可分為完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留較寬煤柱沿空掘巷和原位沿空掘巷等[1]。在沿空掘巷技術的發展過程中，錨桿支護的應用為沿空掘巷的普及做出了巨大的貢獻[2]。對巖層結構力學模型、圍巖變形機理、計算機數值模擬等方面的研究，也為各種形式沿空巷道的布置打下了堅實的基礎。后來，人們認識到對于沿空巷道的掘進時間及掘進位置的確定是影響巷道圍巖控制效果的一個重要因素，并開始注重相關方面的研究。特別是對于留窄煤柱護巷，因其不但可以提高回采率，而且還有利于控制圍巖變形，所以一直是學者研究的重點[3-5]。現有的研究成果表明，不同寬度的窄煤柱對巷道圍巖穩定性的影響程度是不一樣的，影響因素主要包含兩點：一是影響到巷道圍巖的應力環境，改變了圍巖的應力分布;二是影響到巷道圍巖的變形特征與規律。國內外學者為此做了大量的研究工作，并且取得了豐富的理論成果[7-8]，但對于一些特殊條件下的沿空掘巷研究還存在理論研究不夠完善、案例研究不夠豐富、實踐相對較少的不足。如，對于煤層群沿空巷道的布置和優化、巷道受重復動壓影響的穩定性、高瓦斯礦井的巷道防漏風問題等的研究還存在不足。

1 工作面概況

沙曲一號煤礦現采4號煤深度近500m，巷道受地應力、上區段動壓影響、復雜地質構造等影響，圍巖節理裂隙十分發育、松散破碎、變形劇烈、破壞范圍大，巷道支護難度大;4、5號煤層間距平均僅為4.5m，4號煤平均厚度4.2m，五號煤平均厚度3.6m，屬于典型的厚煤層近距離煤層群，采場開采、巷道布置等存在干擾。

4305工作面北面為4306采空區，東距礦界50m，南部為未采區，西側為原4305采空區。現4305工作面膠帶巷與4306工作面采空區間的護巷煤柱需要進行確定和優化。工作面煤層厚度范圍為3.9-4.2m，平均為4.1m。工作面地質構造簡單，基本呈單斜構造，煤層傾角為7°。工作面采用傾斜長壁后退式采煤法，綜采一次采全高。工作面傾向布置，走向長度為174m，可采平均長度為396m。工作面煤層較穩定，局部含泥巖夾矸，4#煤呈黑色，玻璃光澤，結構均一，內生裂隙發育，抗壓強度為10.50-14.77MPa。

根據工作面鄰近鉆孔資料分析，4#煤層向上距離2#煤層平均為20.0m，向下距離5#煤層平均為4.5m，其中2#煤平均厚度為0.8m，5#煤平均厚度為3.6m。工作面偽頂不發育，局部有厚度為0.2m的泥巖，4#煤層直接頂為灰色中細砂巖，厚度為5.0m左右，老頂為5.5m左右的粗砂巖，再上為9.0m左右的黑色泥巖。4#煤層直接底為2m灰色中砂巖，有團塊狀黃鐵礦，老底為2.5m左右的砂質泥巖，再下為5#煤層偽頂，厚度為0.6m的炭質泥巖。

2 煤柱寬度計算及優化

結合礦井現有礦壓資料，針對4305膠帶巷護巷煤柱尺寸提出5m、8m和15m三個備選方案，通過數值計算方法進行方案的優選。

根據4305工作面實際地質條件，建立模型尺寸420m×200m×160m，單元總數為457760。其中煤與各巖層的厚度分別為，頂板100m，煤層4m，底板56m。模型中工作面左側為4306工作面采空區長100m，中間為煤柱和4305沿空巷道，巷道尺寸為4.6m×4.2m，4305工作面長180m，模型上邊界施加邊界載荷p=10MPa以模擬上覆巖層自重，模型其他三個邊界均為位移約束。

巷道圍巖及煤體參數包括密度、彈性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、剪脹角以及抗拉強度，如表1所示。

支護參數方面，錨桿參數為彈性模量200GPa、樹脂剪切剛度1.0×104MN/m2、樹脂粘結力1.0MN/m、抗拉強度0.16MN，錨桿截面積3.84×10-4m2。錨索參數為彈性模量200GPa、樹脂剪切剛度1.0×104MN/m2、樹脂粘結力2.3MN/m、抗拉強度0.16MN，錨索截面積3.73×10-4m2。

結合礦井實際地質條件，模擬回采巷道在掘進和回采階段巷道表面位移、圍巖塑性區以及工作面區域應力場的變化情況，根據數值模擬的計算結果分析巷道支護效果，進一步優化巷道支護設計。

3 回采階段不同煤柱寬度下的圍巖變形特征

（1）回采階段巷道應力場分布。4305工作面開采時工作面前方以及兩側形成應力集中區，受應力集中區影響，巷道發生變形和破壞，分析工作面回采時超前巷道區域應力得出，隨著煤柱寬度逐漸減小，煤柱應力集中程度逐漸增大，峰值系數由1.53增大至2.49，峰值區域不斷靠近巷道位置，對巷道造成擠壓。其中煤柱寬度5m，巷道應力峰值距巷道左幫2m，煤柱寬度8m和15m，巷道應力峰值距巷道左幫5m。巷道回采過程中煤柱寬度越小，受到的應力集中影響越明顯，但是在煤柱8m時應力集中系數和范圍與煤柱15m相比較，變化較小，應力集中系數分別為1.8和1.5，峰值位置靠近4305工作面。（2）回采階段巷道塑性區分布。巷道圍巖塑性區的發展狀況，是巷道變形破壞的決定因素，也是支護成功與否的關鍵因素，為了便于說明問題，斷面為研究對象，該斷面圍巖塑性區最終形態，分析后得出煤柱寬度5m，巷道塑性區擴展，頂部最大值約4m，底部最大值約1.5m，兩幫最大值約4m，煤柱塑形區域與4306工作面采空區貫通，煤柱失去承載能力。煤柱寬度8m，巷道塑性區頂部位置最大值約0.5m，底部最大值約1.5m，兩幫最大值約4m，煤柱中間仍保持彈性狀態。煤柱寬度15m，巷道塑性區在巷道頂部最大值約1m，底部最大值約1.5m，兩幫最大值約3m，煤柱保持穩定性，巷道保存穩定。

煤柱寬度5m，巷道塑性區較大，回采階段煤柱塑形區域與4306工作面采空區貫通，失去承載能力，導致巷道產生大變形，不利于巷道穩定;煤柱寬度8m，巷道在回采階段塑形向4306采空區擴展，煤柱中間仍保持彈性狀態，巷道變形量能夠控制。煤柱寬度15m，巷道塑性區最小，巷道在回采階段變形量最小，穩定性最好。

綜合以上分析，巷道掘進期間，煤柱寬度效應對巷道變形影響較小，掘進過程中巷道變形量可控，但煤柱區域應力和塑形區范圍隨煤柱變窄而增大，尤其在留設煤柱5m時，煤柱塑形區貫通4306采空區不利于巷道穩定。回采階段，留設的5m煤柱完全破壞，失去承載能力，導致巷道產生大變形，不利于巷道穩定;留設煤柱寬度8m，煤柱中間仍保持彈性狀態，受力較為均衡，巷道變形量得到有效控制，留設煤柱寬度15m相比于留設5m、8m煤柱，留設煤柱寬度較大，4306采空區側向應力在煤柱側應力集中影響較小，巷道塑性區較小，巷道在回采階段變形量最小，但是考慮煤炭資源的不可再生，提高煤炭資源的回收利用，4305工作面沿空掘巷選用8m煤柱較為合理，可以有效控制巷道變形，保障工作面安全回采，同時降低煤炭資源的浪費，提高煤炭資源回收率。

4 煤柱受力性能現場試驗

在巷道內設置了3個煤柱應力監測站，利用鉆孔應力分別監測深度為1m、3m、5m位置的應力變化。

以1#測站為例，煤柱1m處傳感器初始安裝應力1.03MPa，穩定后為1.09MPa;煤柱3m處傳感器初始安裝應力0.62MPa，穩定后為0.48MPa;煤柱5m處傳感器初始安裝應力1.37MPa，穩定后為1.98MPa。通過上述各個測點數據的變化可以看出，5m測點位置壓力變化比較明顯，可以認為該處為煤柱內的應力集中峰值區域。

回采期間煤柱支承壓力監測發現，工作面超前影響距離約30m，測點壓力變化浮動較小，總體呈下降趨勢，最大應力值小于3MPa，煤柱處于穩定狀態。

5 結束語

（1）針對煤與瓦斯突出礦井，沿空掘巷護巷煤柱寬度的確定應遵循有利于巷道圍巖穩定、有利于下層煤巷道的礦壓管理、提高回采率、保證巷道密閉性的原則。（2）分析了4305工作面與4306采空區留設5m、8m、15m煤柱對應工作面巷道掘進及回采期間的變形及破壞規律，通過分析不同煤柱寬度下的垂直應力、巷道變形量以及塑性區的分布，認為選用8m煤柱較為合理。（3）巷道掘進和工作面回采期間的煤柱應力監測結果顯示，4-5m區域為煤柱內的應力集中區域，巷道掘進對煤柱的擾動較小，回采期間煤柱應力總體呈下降趨勢，最大應力值小于3MPa，煤柱性能穩定。

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