晉華宮礦大采高工作面臨空小煤柱巷道變形規律研究

蘇耀杰，張曉東，高云峰

（晉能控股煤業集團晉華宮礦 山西 大同 037000）

1 背景

從礦井的開拓、巷道布置以及延長礦井服務年限考慮，工作面布置需保留一部分煤柱，用以支撐上覆巖層[1，2]。煤柱寬度對維持采場圍巖穩定的重要性越來越突出，選擇較小的煤柱寬度在保證安全生產的基礎上，亦能減少煤炭資源額的浪費，提高礦井總體經濟效益[3，4]。隨著各種復雜條件下巷道圍巖控制技術和支護技術水平的提高，保證了沿空巷道在掘進和回采過程中的穩定性，能夠保證礦井安全生產[5]。大采高小煤柱工作面在回采期間巷道圍巖變形較大，為工作面回采增加了困難。特別是大同礦區堅硬頂板條件下，由于上覆頂板難以垮落，對于留設的煤柱和巷道壓力較大，導致巷道變形劇烈，對于巷道圍巖變形規律的研究也就顯得更加重要。

針對上述難題，在學習借鑒前人的研究成果基礎之上，晉華宮礦首次在河南區域12-2#層301 擴區組織開展了大采高小煤柱工作面回采試驗，并對堅硬頂板條件下大采高工作面臨空小煤柱巷道變形規律進行了研究。

2 工程概況

晉華宮礦河南12-2#層301 擴區煤層賦存穩定，結構簡單，煤層走向北東，傾向北西。12-2#層上覆為7-4#層 8101、8103、8105 采空區，層間距約 51 m。12-2#層301 擴區水文地質條件簡單，該區域無大的含水層發育，無小窯井口，掘進過程中同層無小窯破壞區。

12-2#層301擴區共布置大采高小煤柱工作面3個，分別為 8101、8103、8105 工作面，留設煤柱寬度為6 m。8103工作面走向長度632 m，傾向長度157 m，傾角5°，厚度5.20 m，平均采高4.5 m，埋深338 m。8103工作面頂板以砂巖與砂質頁巖互層為主，屬于堅硬頂板類型，底板以砂質頁巖、粗砂巖為主。

圖1 巖層柱狀圖

3 數值模擬分析

3.1 煤柱應力變化規律

以8103工作面的工程地質條件為研究基礎，以工作面地質說明書綜合鉆孔柱狀圖為基礎，采用FLAC3D進行數值模擬分析，建立數值模型，模型尺寸為150 m×150 m×40 m，如圖2所示。

圖2 數值模型示意圖

模型邊界條件為：模型底面限制縱向位移為w=±0.01 m，模型四個側面限制橫向位移u=±0.01 m，模型頂部施加8.4 MPa 垂直載荷，模擬上覆338 m 巖層自重，本構模型采用莫爾-庫倫模型。重點分析8103 工作面臨空巷道（5103 巷）小煤柱內部應力及巷道超前范圍應變分布規律。根據晉華宮礦采礦地質資料及實驗室巖石力學實驗結果，確定工作面煤層及各巖土層力學參數見表1所示。

表1 晉華宮煤礦巖層物理力學參數

3.2 煤柱應力變化規律

6 m小煤柱內部應力分布如圖3所示。

圖3 煤柱內部應力分布圖

由圖3可以得到：

（1）煤柱中垂直、水平應力呈單峰值分布。垂直應力峰值為13.9 MPa，峰值位置偏離煤柱中心距離約0.7 m，靠近采空區側。水平應力峰值為8.8 MPa，峰值位置偏離煤柱中心約0.5 m，靠近采空區側；

（2）煤柱中垂直應力大于水平應力；

（3）煤柱中垂直應力大于原巖應力的范圍為1.4 m～4.0 m，由此可見該類地質條件下，巷道側煤柱破壞范圍約為2.0 m，采空區側煤柱破壞范圍約為1.4 m。

3.3 臨空巷道位移變化規律

6 m小煤柱臨空巷道位移分布如圖4所示。

圖4 臨空巷道位移分布圖

由圖4可見：

（1）由于超前采動壓力影響，小煤柱圍巖急劇破碎。超前30 m 范圍內，頂底板移近量變化明顯，最大值為793 mm。超前40 m 范圍內，臨空巷道幫部移近量最為明顯，最大值為1 530 mm。

（2）采用6 m小煤柱護巷技術，工作面超前段兩幫移近較頂底板下沉更為明顯，受影響范圍更大。

4 工程實踐

4.1 5103巷道支護

5103 巷道凈寬4.5 m，凈高3.8 m，采用錨索、錨桿聯合支護，頂板四排樹脂錨桿規格為φ20 mm×2 000 mm，間排距為1.0 m×1.0 m；頂板中間三排φ21.8 mm×8 000 mm 恒阻錨索，采用五花布置（3-2-3），排距2.0 m；兩排φ21.8 mm×6 000 mm 錨索，間距1.7 m；兩幫護幫鋪金屬網，采用兩排錨索、三排錨桿聯合支護，上排斜拉錨索規格φ17.8 mm×6 000 mm，排距為2.4 m；下排錨索規格φ17.8 mm×4 000 mm，排距為2.4 m；上排錨桿規格為φ18 mm×2 000 mm，排距1.2 m；下兩排錨桿規格為φ18 mm×1 800 mm，排距1.2 m，間距1.2 m，錨桿均配合W型鋼帶支護。

圖5 5103巷道支護示意圖

4.2 現場實測分析

（1）采用“十字布點”法，在5103巷超前100 m范圍內進行位移變化觀測。臨空巷道超前100 m范圍內寬度及高度變化如圖6、圖7所示。

圖6 臨空巷道超前范圍寬度變化

圖7 臨空巷道超前范圍高度變化

通過“十字布點法”對臨空巷道表面位移觀測，發現超前50 m范圍內，巷道兩幫變形明顯，現場有炸幫、網包現象兩幫最大移近量約1.0 m。超前40 m 范圍內，頂底板移近量最明顯，現場實際主要是超前段底鼓嚴重，超前10 m～20 m范圍底鼓最大量為0.5 m。

（2）順槽超前范圍頂板、工作面幫、煤柱幫布置錨桿（索）測力計，錨桿、錨索測力計壓力變化如圖8、圖9所示。

圖8 臨空巷道頂板錨索壓力曲線

圖9 臨空巷道煤柱幫錨桿壓力曲線

從圖8、圖9可以看出，工作面回采期間，臨空巷道超前50 m 范圍內頂板、兩幫錨桿（索）壓力最大，其他區域趨于平緩，基本無變化，與初設預緊力數值相當。

5 結論

（1）通過數值模擬分析，小煤柱中應力垂直應力大于水平應力；小煤柱中應力呈單峰值分布，峰值位置在煤柱內偏向采空區一側；在超前采動影響下，臨空巷道超前0 m～40 m以內受煤柱影響作用明顯；

（2）現場實測數據標明，工作面回采期間，臨空巷道超前50 m范圍內，巷道網包、底鼓明顯，兩幫移近量大于頂底板移近量，這進一步說明：6 m小煤柱護巷技術的關鍵是煤柱穩定性維護。