采動影響下雙巷掘進煤柱承載特征研究

范文生，劉曉東

(1.山西焦煤集團有限責任公司, 山西 太原 030024； 2.中國礦業大學 礦業工程學院, 江蘇 徐州 221116)

雙巷掘進作為一種巷道布置的方式在國內外煤礦中使用較廣，不僅有利于采掘接替而且可以解決高瓦斯礦井的上隅角和回風巷瓦斯超限問題[1-3]. 雙巷中間的煤柱需要經過掘進擾動、本工作面一次采動和下工作面二次采動的影響，其穩定性對保護巷道穩定起重要作用。

雙巷掘進一般是本工作面的回風巷和下工作面的運輸巷同時掘進，中間留設合理的煤柱寬度以保護巷道圍巖穩定[4]. 文獻[5] 認為工作面采動影響下煤柱保持穩定的條件是：中間彈性區的寬度是煤柱高度的兩倍，合理的煤柱寬度為兩側塑性區寬度與中間彈性區域寬度的和。文獻[6]采用UDEC-Trigon模型研究了雙巷保護煤柱在采動影響期間的裂隙擴展規律，認為當煤柱內裂隙貫通時發生屈服喪失承載能力，為保持穩定內部必須有彈性承載區。文獻[7]結合具體的工程實踐，采用理論分析與數值模擬的方法研究了區段煤柱的應力分布規律和強度分布特征。文獻[8]將雙巷煤柱劃分為破碎區、相對穩定區和錨桿支護區3個區域，采用極限平衡理論分析了一次采動后的煤柱的穩定性。現有文獻主要對合理煤柱寬度進行確定，對雙巷煤柱在采動影響過程中的受力特征分析較少。

以山西某礦雙巷掘進為工程背景，建立FLAC3D數值模型，分析雙巷煤柱在全動壓影響過程中的塑性區和應力演化特征，為煤柱的安全留設提供指導。

1 生產地質條件

山西某礦主采3#煤層，3106、3107工作面位于一采區大巷東北側，東南部為二采區大巷，東北部、西北部、西南部均為未采區。該煤層埋深平均300 m，平均厚度3.0 m，直接頂為1.4～3.0 m厚的粉砂巖，基本頂為2～10 m厚的砂質泥巖；煤層傾角平均5°，屬于近水平煤層；3106回風順槽和3107進風順槽采用雙巷掘進布置回采巷道。采掘工程示意圖見圖1.

圖1 采掘工程示意圖

2 雙巷煤柱承載特性演化特征

2.1 數值模型建立

根據實際地質條件采用FLAC3D巖土工程軟件建立數值模型，模型厚60 m，寬度150 m，長度200 m，包括7層巖層。模型兩側邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加7.5 MPa 的均布載荷，煤層采用應變軟化模型，其余巖層采用Mohr-Coulomb模型。數值計算模型見圖2，模型中的力學參數見表1.

圖2 數值計算模型圖

表1 模型中的物理力學參數表

數值模型計算過程為：建立數值計算模型→原巖應力平衡計算→雙巷同時掘進計算→3106工作面回采計算→3107工作面回采計算→計算結果輸出與分析。在給定圍巖力學參數條件下，只考慮煤柱寬度變化對煤柱承載的影響，選擇4 m、6 m、8 m、12 m煤柱4個方案進行模擬，通過對模擬結果的分析，找出煤柱承載規律的變化，選擇最優的煤柱寬度。

2.2 雙巷掘進期間煤柱承載特征

1) 塑性區分布特征。

不同煤柱寬度下，雙巷掘進煤柱塑性區分布見圖3. 由圖3可知，在區段煤柱寬度不同的條件下，隨著巷道的開挖，巷道圍巖內發生破壞且都是剪切破壞。當巷道寬度為4 m時，巷道圍巖在掘進時發生剪切破壞，破壞深度幫部為2 m，頂底部為3 m，4 m區段煤柱被剪切破壞貫通；當巷道寬度大于4 m時，隨巷道開挖，圍巖也發生剪切破壞，破壞深度大致和留設4 m煤柱時相同，但由于留設的煤柱寬度大于4 m，在區段煤柱中間留有一定的彈性核，6 m煤柱時彈性核占區段煤柱的2/3，8 m、12 m煤柱時，彈性核占區段煤柱的2/3以上。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱塑性區分布圖

2) 垂直應力分布特征。

不同區段煤柱下，雙巷掘進時區段煤柱內垂直應力分布見圖4. 由圖4可知，巷道開挖時，隨煤柱寬度的增加，區段煤柱內的應力由單峰狀向拱形變化，在煤柱寬度為4 m時，煤柱內的峰值應力最高，為9.8 MPa,隨區段煤柱寬度增加，區段煤柱內的垂直應力峰值在減小；煤柱寬度6 m、8 m時，區段煤柱內的峰值應力相近為8.2 MPa；當區段煤柱為12 m時，區段煤柱內的峰值應力最小為8 MPa.

圖4 不同煤柱寬度下煤柱內垂直應力曲線圖

2.3 一次采動期間煤柱承載特征

1) 塑性區分布特征。

選擇3106工作面后方20 m位置進行研究，得到一次采動后不同煤柱寬度的塑性區分布，見圖5. 圖5中，4 m、6 m和8 m煤柱經歷一次采動后，在工作面后方20 m全部進入塑性破壞而且變形越來越大，破壞方式為剪切破壞；當區段煤柱為12 m時，在工作面區和工作面后20 m處，雖然塑性區在區段煤柱兩幫增大，但煤柱中間仍保存有彈性區。

圖5 一次采動影響后不同煤柱寬度下煤柱塑性區分布圖

2) 垂直應力分布特征。

一次采動后煤柱內的垂直應力分布特征見圖6. 在工作面后方20 m處，4 m煤柱內的垂直應力為6.8 MPa，低于原巖應力7.5 MPa,說明在3106工作面回采后已成為屈服煤柱。6 m煤柱內的垂直應力呈“馬鞍型”雙峰值分布，最大應力為10.5 MPa，超過原巖應力，煤柱內部承載范圍約為3 m，說明6 m煤柱在一次采動以后是塑性承載煤柱。8 m煤柱的垂直應力最大為10.7 MPa，煤柱內部承載范圍約為5 m，煤柱具有較高的承載力。12 m煤柱的垂直應力最大為11.9 MPa，其內部存在彈性承載區，范圍約為9 m，說明煤柱承載效果較好。對比分析可知，煤柱寬度越大，一次采動后的垂直應力越高，而且內部的承載范圍越大，由塑性承載逐漸轉化為彈性承載。

圖6 不同煤柱寬度下煤柱內垂直應力曲線圖

2.4 二次采動期間煤柱承載特征

1) 塑性區分布特征。

3107工作面回采后，選擇超前工作面10 m位置的斷面進行分析，得到二次采動后不同煤柱寬度的塑性區分布，見圖7. 4 m煤柱在3106工作面回采時，在工作面后方煤柱內的垂直應力低于原巖應力且變形較大，故在二次回采時不做分析。由圖7可知，煤柱的破壞方式為剪切破壞，塑性區的范圍變化較大，6 m和8 m煤柱超前10 m的塑性區范圍較一次回采時增大；12 m煤柱時塑性區雖然也增大，但在煤柱中仍有一部分彈性核。

圖7 不同煤柱寬度下煤柱塑性區分布圖

2) 垂直應力分布特征。

二次采動下，不同寬度煤柱垂直應力曲線圖見圖8. 由圖8可知，受二次采動影響煤柱內的垂直應力有所升高，但隨著煤柱寬度的增加，煤柱內的垂直應力在減小。6 m煤柱時最高，煤柱內的峰值應力為15.59 MPa；12 m煤柱時最小，峰值應力為13.6 MPa. 說明6 m以上煤柱仍具有承載能力，6 m、8 m煤柱為塑性承載煤柱，12 m煤柱為彈性承載煤柱。

圖8 二次采動影響下不同煤柱寬度煤柱垂直應力曲線圖

綜上分析，雙巷掘進區段煤柱在全動壓過程中，塑性變形逐漸增加，內部垂直應力逐漸升高。確定煤柱寬度時必須保證二次回采后依然保持穩定，針對3106和3107工作面的地質條件，確定合理的煤柱寬度應大于6 m，確保二次回采時屬于塑性承載或者彈性承載，配合合理的支護技術，確保安全生產。

3 結 論

1) 雙巷掘進期間，4 m煤柱進入塑性區成為塑性承載煤柱，6 m、8 m、12 m煤柱有2/3以上的彈性核，為彈性承載煤柱。

2) 一次回采影響后，4 m煤柱成為屈服煤柱喪失承載能力，6 m、8 m煤柱成為塑性承載煤柱；12 m煤柱在回采期間有1/3彈性區為彈性承載煤柱。二次回采影響后，6 m、8 m煤柱仍為塑性承載煤柱，12 m煤柱仍為彈性承載煤柱。

3) 確定了3106回風巷和3107進風巷合理的煤柱寬度應大于6 m，保證煤柱二次采動影響后仍然具有承載能力，確保巷道穩定。