石窟煤礦沿空掘巷煤柱寬度及支護研究

宋海龍

（山西煤炭運銷集團三元石窟煤業有限公司 山西長治047500）

1 引言

沿空掘巷技術可以減少浪費，改善應力條件并提高采出率，得到越來越多的應用。現有研究中，王衛軍[3]以砌體梁理論為基礎，建立力學模型，推到了頂板煤巖層變形為力的分量表達式。劉金海[4]等采用數值模擬和工程類比等方法，確定了沿空掘巷側向媒體破碎范圍。受地質條件、地應力、開采技術的影響，煤礦開采難度越來越大，出現了沿空掘巷圍巖礦壓顯現劇烈、破壞范圍大、井巷變形大等問題，本文以石窟煤礦為背景，對沿空掘巷的的煤柱優化進行深入研究，以期為類似條件的礦井圍巖控制提供一定的參考。

3 護巷煤柱受力及破壞機理分析

煤柱的主要作用是將沿空巷道和上工作面的采空區隔絕開來。上工作面回采工作結束后，形成采空區，導致上覆巖層在重力的影響之下直接作用在采空區。基本頂在沿空巷道采掘影響之下發生斷裂，斷裂之后的巖石和實體煤形成穩定的結構起到支承作用。上覆巖層的結構和受力情況決定煤柱的狀態，當采掘工作結束后，上覆巖層應力進入到新的平衡當中。在應力不變的情況下，煤柱寬度將直接影響上覆巖層的應力分布，在留設煤柱護巷的條件下，煤柱較寬情況下中間會形成一定支撐能力的彈性核區，在兩邊由于關鍵塊垮落形成塑性區，整體應力體現為中間小兩邊大，呈現雙駝峰狀；較窄時，應力均勻分布，曲線呈現馬蹄狀。具體如圖1所示。

圖1 煤柱垂直應力分布曲線圖

前一個工作面采過后，由于采掘擾動使采場上部巖層出現應力重新分布的情況，工作面前方的一定范圍內煤巖體以及和采空區鄰近的煤巖體中出現應力集中，臨采空區一側的煤柱在水平方向支承力的作用下，發生塑性變形及破壞，支承壓力對煤體深部產生作用，持續至支承壓力最大值和煤柱極限強度達到平衡，同時，煤柱靠近下一工作面回采巷道一側由于巷道掘進使煤柱邊緣發生塑性變形和破壞，在下工作面開采過程中，煤柱受到超前支承壓力的影響，所承載的載荷增大，煤柱被塑性區貫通穩定性不斷下降。

如圖2所示，因煤層頂底板巖層層理均勻，性狀穩定煤柱與頂底板接觸不受軟弱層影響，同時該礦巷道應用錨桿錨索及金屬網支護，煤柱兩邊皆受到側向力的約束，這樣符合理論中發生塑性流動破壞的情況。

圖2 煤柱變形破壞示意圖

2 地質狀況

石窟煤礦開采煤層賦存相對穩定，結構相對來說較為簡單。根據工作面前期勘察情況及順槽開挖反映情況，30106工作面平均埋深290 m，煤層厚度約為5.33 m～6.68 m，平均6.19 m。煤層傾角2°～6°，平均傾角為4°，屬較軟煤層，其普式系數為2，工作面煤層綜合柱狀圖見圖3。該工作面掘進斷面凈寬4.0 m，凈高2.9 m。

圖3 工作面煤層綜合柱狀圖

4 數值模擬分析

利用數值模擬軟件FLAC3D進行分析，以山西石窟煤礦30106工作面為工程背景進行建模。模型在上面施加均布荷載，地面固定其位移，其余邊界固定其側向位移。建立模型如圖4所示。

圖4 模型示意圖

由圖5采空區側向支承壓力分布規律可以看出，隨著巷道掘進的向前推進，采空區側向支承應力逐漸平緩，其變形也由于穩定的殘余支承應力的保護下二逐漸趨于穩定。

圖5 采空區側向支承壓力分布規律

（1）隨著30106工作面的向前推進，圍巖原有的穩定平衡狀況被打破，應力在新的環境中從新進行分布，從而在頂底板處形成卸壓區，在工作面側向煤體深部形成了應力集中區。

（2）在30106工作面回采結束后，0 m～4 m的范圍之內，支承應力由12.5 MPa急速增加至支承應力峰值46.9 MPa，增幅達到73.34%，應力集中系數達到4.69左右；在4 m～10 m的范圍內，支承壓力由46.9 MPa快速降低到37.6 MPa，減幅達到了24.73%；之后支承應力變化緩慢，曲線較為平緩。因此，上區段30106工作面采空區邊沿約60 m內的距離的垂直應力都比原巖應力值要高，屬于應力升高區。綜合以上分析可知，沿空井巷的布置不能完全規避高應力區，所以需要對煤柱的寬度進行優化，選出最合理的寬度，才能維持井巷的穩定。

通過數值模擬計算可得30106工作面不同煤柱寬度下的垂直應力分布圖，具體見圖6。在沿空井巷開挖結束后，圍巖應力重新分布，并逐漸達到新狀態下的平衡。不同煤柱寬度條件下，由于沿空掘巷兩幫圍巖應力開始向頂底板轉移，從而導致井巷這兩個部位頂底板應力集中，同時隨著煤柱寬度的增大，煤柱垂直應力逐漸由對稱型慢慢變為偏載型，也即垂直應力向鄰近采空區方向進行轉移。煤柱寬度由6 m增大到10 m時，垂直應力峰值由28.4 MPa快速增大到56.1 MPa，之后煤柱應力變化趨于穩定。在10 m左右時，煤柱垂直應力在煤柱中心，成對稱式分布，在14 m左右時，煤柱垂直應力在遠離采空區側偏小，不對稱性逐漸增大。

圖6 不同煤柱寬度下的垂直應力分布云圖

由以上分析可知，護巷煤柱寬度若過小，對整體圍巖的穩定性不利，整體承載能力較小，隨著寬度的增加，圍巖變形量會減小。當煤柱寬度為10 m時，煤柱內部出現彈性核區，對煤柱上方的覆巖起到承載作用，具有較強的穩定性。由此可知，護巷保護煤柱的合理寬度為10 m。

5 現場實測

30106工作面沿空煤巷頂板、兩幫的支護參數如表1和表2所示，支護方案如圖7所示。

圖7 支護方案

表1 頂板支護參數

表2 巷道兩幫支護參數

將模擬方案用于現場，所得監測結果如圖8所示

圖8 井巷圍巖收斂情況

由圖8可知，井巷圍巖較為穩定：在井巷開始掘進之后，圍巖變形開始劇烈變化，在前10天變化速度最快，之后的40天內，變化速度逐漸放緩，但仍保持上升趨勢。在50天之后，圍巖位移開始不再變化，逐漸向穩定狀態靠近。在整個監測時期中，頂底板的位移變化都要比兩幫的位移變化要小，在觀測結束以后，兩幫的最終變形量為98 mm，頂底板的位移變化量為65 mm。在前10天，井巷剛開始開挖，原巖應力遭到破壞，井巷的頂底板和兩幫位移快速變化，10天之后擾動效應變弱，原巖變化的速率放緩但仍然有向內變化的趨勢。開挖50天以后，井巷逐漸成型，支護措施完善，井巷處于一個較為穩定的狀況，此時井巷圍巖幾乎無變化。變形控制較好，在合理范圍之內。相較于模擬來說，變形較大一些，究其原因是由于實際現場情況較為復雜導致變形也會大一些。

6 結論

本文以山西三元石窟煤礦30106工作面為研究對象，對沿空掘巷圍巖穩定性分析與控制進行了理論分析、數值模擬研究和現場監測，主要結論為：

（1）煤柱較寬情況下中間會形成一定支撐能力的彈性核區，在兩邊由于關鍵塊垮落形成塑性區，整體應力體現為中間小兩邊大，呈現雙駝峰狀；較窄時，應力均勻分布，曲線呈現馬蹄狀

（2）護巷煤柱寬度若過小，對整體圍巖的穩定性不利，整體承載能力較小，隨著寬度的增加，圍巖變形量會減小。當煤柱寬度為10 m時，煤柱內部出現彈性核區，對煤柱上方的覆巖起到承載作用，具有較強的穩定性。護巷保護煤柱的合理寬度為10 m。