大采高回采巷道保護煤柱局部變形特征監測分析

孟 偉

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦，山西 呂梁 033000）

引言

隨著，礦井采掘深度的不斷延伸，地表埋藏較淺的煤層開采殆盡，開采逐步向埋藏較深、圍巖應力較大的煤層轉移。特別是，開采埋藏深度煤層時，受圍巖應力影響巷道穩定性差、變形嚴重，為保證工作面的安全回采往往采用留設保護煤柱的方式 對巷道進行保護，但是在一定程度上造成煤炭資源嚴重浪費，同時留設煤柱寬度較大時極易造成應力集中，也威脅礦井的安全生產。巷道上覆圍巖在發生破裂后，仍具有一定的殘余強度，同理，巷道圍巖松動破裂也具有一定的承載能力，但這一承載能力遠低于其抗壓強度值，需對其進行支護，支護的主要目的是提高松動圍巖的殘余強度，充分發揮加固圍巖的承載能力。巷道圍巖的變形還與抗拉強度、彈性模量和粘結力等物理力學參數有關。目前，通常采用的支護技術措施主要包括：及時封閉暴露圍巖、錨桿支護、注漿以及支架壁后充填等。回淹巷道煤柱遇水后其強度表現為衰減速度快，且穩定性差的特點，對于此類巷道煤柱，不僅要提高圍巖承載能力，而且必須減少水對煤柱弱化的技術措施。針對上述問題，國內外學者已開展了相關的研究，余偉建[1]等揭示了不同支護方式下巷道圍巖變形破壞的機理；孫珍平[2]等人提出了圓形隧道在非均勻應力場下的彈塑性解析解；劉新穎[3]等分析了水對圍巖的破壞和力學特性的影響；李宗利[4]等發現巷道考慮滲流場計算得出的塑性半徑大于不考慮滲透場的半徑。朱維申[5]等分析認為流-固耦合作用導致巖體強度降低、變形量增加；針對滲流作用下巷道圍巖的受力及變形特征，已開展了大量的研究，但對于其在支護條件下孔隙水壓力的研究相對較少，本文以斜溝礦18505 工作面為工程背景，采用多場物理耦合數值模擬軟件COMSOL 計算了回淹巷道煤柱在無支護與有支護條件下的孔隙水壓力，分析了煤柱水流動規律，實現對巷道保護煤柱的監測。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省呂梁興縣北50 km 處，礦區南北長約22 km，東西寬約3 km～4 km，礦井面積約88.6 km2，礦井設計生產能力1 500 mt/a。18505 工作面位于斜溝礦15 采區北翼，工作面東側、南側為實煤區，北側247.8 m 外是斜溝煤礦井田邊界，西側為18503 工作面（里段）采空區。工作面現開采山西組8#煤層，煤厚2.5 m～5.80 m，平均厚度4.35 m，煤層傾角6.6°～9.4°，平均傾角8.2°。

2 保護煤柱變形監測分析

2.1 煤柱水流動特點

利用多場物理耦合數值模擬軟件COMSOL 計算了煤柱在無支護、有支護條件下巷道開挖時間、有無疏水孔以及裂隙面對孔隙水壓力的影響，分析了煤柱水流動特點。

2.2 無支護時水流動及孔隙水壓力變化規律

2.2.1 煤柱水流動規律

采用COMSOL 軟件模擬計算了巷道保護煤柱有無疏水孔的三種狀態下煤柱水的流動規律進行分析研究。如下頁圖1 所示為巷道開挖后煤柱的水流動規律，在一定的孔隙水壓力作用下，布置疏水孔與無疏水孔條件下水流動規律存在顯著的差異性，布置疏水孔后煤柱水沿疏水孔流動，且流動速度和流量均較大；當巷道煤柱疏水孔穿過回淹層主裂隙面，煤柱水沿主裂隙面流動，通過疏水孔排放，流動速度與流量較無疏水孔和有疏水孔條件下明顯增加；因此，科學的設置疏水孔技術參數，更便于煤柱水的排放。

圖1 巷道開挖后煤柱水流動規律

2.2.2 孔隙水壓力變化規律

如圖2 所示為回淹巷道煤柱軟弱巖層與回淹煤柱交界處孔隙水壓力隨巷道開挖時間變化曲線圖，模擬計算模型左右對稱，選取模型左半部分，分析其孔隙水壓力的變化規律。

圖2 煤柱水孔隙水壓力曲線

當布置疏水孔時，孔隙水壓力隨巷道開挖變化速率較快，從巷道中央向邊界減少的變化趨勢，說明煤柱水流動呈現為連續性的特點。有疏水孔的條件下，孔隙水壓力隨與左邊界距離的增加逐漸減小，在距左邊界30 m～45 m 之間孔隙水壓力變化速率較快。有疏水孔且存在主裂隙面的條件下，孔隙水壓力降低的變化趨勢大于有疏水孔的條件，且在30 m～50 m之間孔隙水壓力降低為0。無疏水孔的條件下，孔隙水壓力保持不變。從煤柱水流動隨時間的變化規律云圖可見，有疏水孔、有疏水孔且存在裂隙面的條件下孔隙水壓力隨巷道開挖時間的延長而減小。當無疏水孔時，孔隙水壓力基本不發生變化。

2.3 支護作用下煤柱水流動特點分析

巷道開挖后，通常需要進行人為加固以確保其穩定性。在巷道煤柱表面施加均布壓力，孔隙水壓力變化云圖和曲線，分別如圖3 所示。

圖3 不同支護阻力作用下孔隙水壓力曲線

為保證煤礦巷道的穩定性，其開挖后需支護加固。在支護條件下，改變了巷道圍巖的受力狀態，對巷道煤柱孔隙水壓力的變化規律產生一定的影響，但其變化趨勢沒有發生變化。巷道開挖90 d 后，在無支護條件下，數值模型中部的孔隙水壓力是0.09 MPa，在0.2 MPa 和0.4 MPa 的支護阻力作用下，其孔隙水壓力增加為0.15 MPa和0.29 MPa，分別為無支護條件下的1.7 倍和3.2 倍，由此可知，有支護的條件下，可減緩煤柱水的滲透作用。

有疏水孔的條件下，有利于煤柱水的疏放，而且能夠減少水對煤柱強度的影響，尤其是有疏水孔且存在裂隙面的條件下，更加利于煤柱水的排放。煤柱水疏放時，地下水與圍巖相互作用，對煤柱進行支護，改變其受力條件，可降低水的滲透范圍，減小水對圍巖的弱化。

3 結論

1）在無支護條件下，在保護煤柱設置疏水孔時，巷道掘進速度與孔隙水壓力成正比例關系，掘進越快流速越快，從巷道中央向邊界呈現為減少的變化趨勢；煤柱有疏水孔且存在主裂隙面時，隨開挖時間的延長，主裂隙面以上巖層的孔隙水壓力逐漸降低；在無疏水孔時，孔隙水壓力的變化較小；

2）在支護條件下，對巷道煤柱孔隙水壓力的變化規律產生了的一定影響，但變化量較小，巷道煤柱施加一定的支護阻力，可減緩煤柱水的滲透作用；

3）在巷道中布置疏水孔，有利于煤柱水的疏放，可減小水對煤柱的侵蝕作用，尤其是鉆孔長度穿透煤柱回淹層主裂隙面時，更便于保護煤柱水的引流排放；對保護煤柱施加支護阻力，從而改變巷道圍巖的受力狀態，降低水對保護煤柱的滲透，減小水對巖石的弱化作用。