龐龐塔礦綜放沿空巷道煤柱應力分布與變形特征研究

程靜召

（霍州煤電集團有限責任公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

0 引言

長期以來，煤炭一直是支撐我國快速發展的基礎能源，煤炭的高效安全生產直接影響到社會穩定和經濟發展[1-2]。隨著煤炭需求量不斷增加，提高煤炭回收率的呼聲也越來越高，由此誕生了無煤柱護巷技術，無煤柱護巷技術主要是指沿空掘巷和沿空留巷2種技術[3-4]，沿空掘巷是沿上工作面采空區留設一定寬度的煤柱或直接沿采空區掘進下工作面的回采巷道，沿空掘巷將巷道布置在應力降低區，具有改善巷道應力環境、提高煤炭回收率等優點[5-6]，沿空留巷則是將上工作面的回采巷道采用一定的技術手段或方法保留下來，用作下工作面的回采巷道，具有減少工程開拓量、提高煤炭回收效率、改善工作面通風系統等優點[7-8]，相比而言，沿空掘巷的巷道圍巖維護條件優于沿空留巷，沿空掘巷主要有無煤柱沿空掘巷、窄煤柱沿空掘巷和寬煤柱沿空掘巷3種類型。

龐龐塔礦屬于霍州煤電集團下屬礦井，井田位于山西省臨縣境內，目前礦井主采9、10號煤層，為緩解工作面接替緊張局面，改善巷道維護條件，10號煤層采區內工作面計劃采用窄煤柱沿空掘巷技術進行開掘回采巷道，10號煤層厚度約11.8 m，采用綜合機械化放頂煤開采技術，采高3.0 m，采放比1∶3，割煤和放煤步距均為0.8 m，本文以概況10號煤層某工作面為工程背景，通過分析綜放面沿空巷道基本頂巖層破斷機制，研究綜放沿空巷道煤柱應力分布和窄煤柱變形特征，為10號煤層采區窄煤柱沿空掘巷技術提供基礎。

1 綜放面沿空巷道基本頂巖層破斷機制

工作面開始回采，與工作面直接接觸的偽頂或直接頂破碎冒落，隨著工作面的不斷回采、推進，基本頂懸空面積逐漸，巖層所受彎矩增加，當所受基本頂巖層彎矩達到其強度極限時，在基本頂巖層邊緣位置開始出現拉伸破斷，斷裂位置一般首先出現在工作面中部基本頂巖層，然后逐漸向兩端延伸擴展，之后回采巷道中部基本頂巖層也開始產生拉伸破斷，由于回采巷道側向煤柱的存在，對基本頂巖層有一定的支撐反力，導致極限彎矩呈弧形分布，連接兩側回采巷道破斷裂紋形成“O”形破斷，同時，基本頂巖層向下運動，位于中部區域的巖層所受彎矩增加較快，當其到達極限強度時開始出現破斷裂紋，與回采巷道側的“O”形斷裂相互溝通，形成“X”形破斷，這就是基本頂“O-X”初期破斷機制，也稱之為初次來壓，隨著工作面的不斷推進，基本頂巖層可簡化成“三固一簡”模型，周期性垮落，這就是基本頂“O-X”周期破斷機制，也稱之為周期來壓，工作面最終回采結束后，在回采巷道側將形成弧形三角拱結構，致使下工作面沿空巷道圍巖處于高應力環境，下工作面基本頂基本處于穩定狀態，圖1給出了單一采動工作面基本頂破斷機制。

圖1 單一采動工作面基本頂破斷機制

上工作面回采結束后，回采巷道側形成了弧形三角拱結構，在本工作面回采時，工作面走向方向的基本頂巖層破斷與上工作面類似，同樣呈現周期性"O-X "破斷，但是由于沿空巷道受弧形三角拱結構影響，基本頂巖層處于高應力環境，從而導致沿空巷道上方的基本頂巖層沿上工作面形成的斷裂面破斷、回轉，與之相互契合，因此本工作面基本頂巖層破斷形式相對有所改變，圖2給出了重復采動工作面基本頂破斷機制，當煤柱寬度較小時，本工作面基本頂巖層會出現二次破斷現象。

圖2 重復采動工作面基本頂“O-X”破斷機制

2 綜放沿空巷道煤柱變形特征

龐龐塔礦綜放沿空巷道煤柱變形特征采用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬分析，模型以龐龐塔礦10號煤層某工作面地質條件為基礎，模型尺寸為200 m×160 m×150 m，模型四周及底部約束法向位移，上部施加7.5 MPa的應力邊界等價于上覆載荷，模型參數根據現場地質資料確定，模型基本尺寸示意圖如圖3所示。

2.1 綜放沿空巷道煤柱應力分布規律

圖4 給出了不同煤柱寬度（3~12 m）對應的煤柱垂直應力分布曲線，如圖所示，垂直應力由巷道側向采空區側先增加后減小，煤柱寬度為3~12 m時，應力曲線呈單一峰值狀態，峰值距沿空巷道相對更近，當煤柱寬度為3 m和4 m時，應力峰值僅為7.34 MPa和9.82 MPa，均小于原巖應力，表明此時由于煤柱較窄，其承載能力不足以支撐上覆載荷，由此煤柱出現整體性破壞，當煤柱寬度為5~9m時，應力峰值逐漸增加，由12.73 MPa增加到了19.83 MPa，應力峰值增加幅度達55.8%，表明一定范圍內煤柱寬度的增加可有效增強煤柱承載能力，之后煤柱寬度繼續增加，應力峰值也隨之增加，但是其增加幅度相對較小，由9 m寬煤柱的19.83 MPa增加至12 m寬煤柱的21.63 MPa，煤柱寬度增加了3 m，應力峰值僅增加了1.8 MPa，表明9 m寬的煤柱即可滿足需求，繼續增加煤柱寬度雖可改善煤柱承載性能，但同時造成了煤炭資源的浪費。

圖4 不同煤柱寬度內的應力分布特征

2.2 綜放沿空巷道煤柱巷道位移演化規律

圖5 和圖6分別給出了不同煤柱寬度下巷道頂底板變形和兩幫變形規律，由圖可知，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖變形呈先增加后減小的趨勢，當煤柱寬度為3 m時，巷道頂底板相對移近量約600 mm，兩幫相對移近量約715 mm；當煤柱寬度增加至5 m時，頂底板和兩幫相對移近量均有不同程度的降低，巷道頂底板相對移近量約560 mm，兩幫相對移近量約680 mm；煤柱寬度繼續增加，圍巖移近量繼續減小；當煤柱寬度為8 m時，巷道頂底板相對移近量約400 mm，兩幫相對移近量約480 mm；煤柱寬度為3～8 m時，巷道處于上工作面采動應力降低區，煤柱自承能力較弱，寬度增加改善了煤柱承載性能，巷道變形減??；煤柱寬度繼續增加（大于8 m），圍巖移近量開始小幅度增加；當煤柱寬度為10 m時，巷道頂底板相對移近量約420 mm，兩幫相對移近量約510 mm；當煤柱寬度為12 m時，巷道頂底板相對移近量約480 mm，兩幫相對移近量約590 mm；煤柱寬度為9～12 m時，煤柱具備一定的承載能力，煤柱變形開始向巷道側轉移，導致煤柱幫變形增大；總體來看，頂板移近量大于底板，煤柱幫移近量比實體煤幫，煤柱寬度的變化對巷道底板影響較小，對巷道幫部變形的影響較大，因此，后期支護應采用必要的強化幫部煤體的技術措施。

圖5 不同煤柱寬度下巷道頂底板位移

圖6 不同煤柱寬度下巷道兩幫位移

綜上所述，從煤柱應力分布、變形特征以及工程技術和煤炭回收率角度，確定了龐龐塔礦10號煤層工作面煤柱寬度為8～10 m。

3 結論

綜放沿空巷道煤柱應力環境復雜，巷道維護困難，本文揭示了綜放單一采動和重復采動工作面基本頂破斷機制，研究了不同煤柱寬度下綜放沿空巷道煤柱應力分布與變形特征，研究表明，煤柱寬度直接影響巷道圍巖應力分布和變形特征，煤柱寬度較小時，煤柱承載性能不足以控制巷道變形，煤柱寬度較大時，煤柱易向沿空巷道整體移動，據此可以確定龐龐塔礦10號煤層工作面煤柱寬度應在8～10 m之間。