復(fù)用回采巷道護(hù)巷煤柱合理寬度研究

閆 帥 ，柏建彪 ，卞 卡 ，霍靈軍，劉學(xué)勇

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3. 潞安環(huán)能集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046103）

1 引 言

綜放高瓦斯工作面單位時(shí)間內(nèi)出煤量增加，瓦斯相對(duì)涌出量大，為了實(shí)現(xiàn)高瓦斯煤層工作面安全開采，某些高瓦斯礦井采用兩進(jìn)兩回的雙U型巷道布置方式：運(yùn)輸平巷→回采工作面→回風(fēng)平巷形成“內(nèi)U型”回路；由進(jìn)風(fēng)平巷→輔助切眼→瓦斯排放巷形成“外U型”回路，每個(gè)工作面回采期間有4條回采巷道服務(wù)，相鄰兩回采巷道之間通常采用寬煤柱護(hù)巷。為了減少巷道掘進(jìn)，相鄰兩工作面共用一條瓦斯排放巷，成為復(fù)用巷道，相鄰工作面平面布置圖如圖1所示。相鄰兩工作面回采后，復(fù)用巷道處于孤島煤柱中，巷道維護(hù)困難，且煤柱損失大。

為提高煤炭資源回收率，許多專家學(xué)者在護(hù)巷煤柱寬度方面進(jìn)行了大量研究[1－6]，窄煤柱沿空掘巷和沿空留巷等技術(shù)得到成功應(yīng)用[7－12]，以往對(duì)沿空巷道的研究大都集中在單一巷道，即巷道一側(cè)為采空區(qū)另一側(cè)為窄煤柱或充填體，而對(duì)兩側(cè)均為煤柱且受多次動(dòng)壓影響的復(fù)用回采巷道穩(wěn)定性研究未見報(bào)道。

本文采用數(shù)值計(jì)算的方法，研究煤柱內(nèi)復(fù)用回采巷道不同位置對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布和變形特征的影響規(guī)律；以煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值比值為指標(biāo)，分析煤柱寬度與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系，并將不同寬度煤柱進(jìn)行了區(qū)域劃分，得到了合理的護(hù)巷煤柱寬度，并將研究成果成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，為類似條件下巷道布置提供了依據(jù)。

圖1 “雙U”型通風(fēng)系統(tǒng)圖Fig.1 Plan view of double-U shaped ventilation layout

2 工程背景

2.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

某礦 S2106回采工作面主采 3#煤層，埋深為500 m，煤層平均厚度為5.3 m、平均傾角為6°，為近水平煤層。3#煤層基本頂為粗砂巖，厚為9.0 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚為4.30 m；直接底為泥巖，厚為3.25 m；老底為粉砂巖，厚為7 m。地應(yīng)力實(shí)測(cè)表明，垂直應(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂直應(yīng)力為水平主應(yīng)力的1.3～1.8倍。工作面采用雙U型巷道布置方式，上區(qū)段S2105工作面已經(jīng)回采，區(qū)段煤柱為35 m，采用走向長(zhǎng)壁采煤法、垮落法管理采空區(qū)。

2.2 開采過程與煤柱設(shè)計(jì)方案

根據(jù) S2106綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立FLAC3D三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖 2所示。模型 X方向?yàn)槊簩觾A向200 m，Y方向?yàn)槊簩幼呦?00 m，模型高為80 m，模擬工作面長(zhǎng)為80 m，巷道斷面寬為5 m、高為3.2 m。模型上邊界為上覆巖層自重，下邊界水平位移、豎直位移固定，兩側(cè)和前后邊界固定水平位移，煤層采用Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化模型，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，水平側(cè)向系數(shù)為0.8，各巖層力學(xué)參數(shù)見表1、2，煤層在屈服階段力學(xué)參數(shù)見表2[13－14]。模擬開采順序?yàn)椋孩匍_挖S2105工作面平巷；②回采S2105工作面；③選擇留巷煤柱寬度，開挖S2106工作面平巷；④回采S2106工作面。

針對(duì)S2106工作面區(qū)段煤柱寬度（圖2中“設(shè)計(jì)煤柱”）提出6種方案：4、6、8、10、14 和20 m。研究本區(qū)段煤柱寬度對(duì)復(fù)用回采巷道圍巖應(yīng)力分布和變形特征的影響規(guī)律，分析煤柱寬度與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖Fig. 2 Numerical simulation model

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock mass

表2 煤層應(yīng)變軟化階段力學(xué)參數(shù)Table 2 Variations of mechanical properties of coal with plastic shear strain

3 煤柱內(nèi)巷道變形破壞規(guī)律

S2106工作面回采后，相鄰工作面之間的孤島煤柱被復(fù)用巷道分成兩部分，以下稱為A煤柱（圖2中“設(shè)計(jì)煤柱”）和B煤柱。根據(jù)采動(dòng)應(yīng)力疊加和傳遞理論，當(dāng)B煤柱寬度為35 m時(shí)分析A煤柱寬度對(duì)整個(gè)孤島煤柱應(yīng)力分布、圍巖破壞和變形規(guī)律的影響。

3.1 煤柱寬度對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布的影響

當(dāng)A煤柱寬度發(fā)生變化時(shí)，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布以及巷道變形規(guī)律發(fā)生改變。圖3為A煤柱不同寬度時(shí)孤島煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征。從中可看出，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布的變化規(guī)律。

隨著A煤柱寬度的增加，B煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力先“雙峰”后“單峰”分布，A煤柱寬度對(duì)峰值應(yīng)力P3影響很小，對(duì)峰值應(yīng)力P2影響較大；隨著A煤柱寬度的增加，垂直應(yīng)力峰值P2先增大后減小，B煤柱內(nèi)最大峰值應(yīng)力逐漸遠(yuǎn)離復(fù)用巷道。

A煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布受自身寬度的變化影響很大：煤柱寬為4 m時(shí)為“緩丘形”，煤柱寬為6 m和10 m時(shí)為“單峰形”，煤柱寬為20 m時(shí)為“非對(duì)稱雙峰形”。隨著煤柱寬度增大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值P1先增大后減?。好褐鶎挾葟? m變到10 m的過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸增大，而煤柱寬度由12 m變到20 m時(shí)應(yīng)力峰值又略有減小。隨著A煤柱寬度的增加，A煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸遠(yuǎn)離巷道，煤柱A寬度為4～6 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值距巷道2 m范圍內(nèi)，大于8 m后，應(yīng)力峰值距巷幫5 m左右。

圖3 二次采動(dòng)后煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布(原巖應(yīng)力12.5 MPa)Fig.3 Vertical stress distributions in pillars after twice dynamic loading (in-situ stress is 12.5 MPa)

將復(fù)用巷道兩側(cè)的A煤柱和B煤柱視為整體，以復(fù)用巷道為坐標(biāo)原點(diǎn)，只考慮巷道兩側(cè)的峰值應(yīng)力P1和P2，如表3所示。當(dāng)A煤柱寬度較小時(shí)（4～10 m），垂直應(yīng)力峰值位于B煤柱內(nèi)；隨著A煤柱寬度的增大，垂直應(yīng)力峰值逐漸向A煤柱方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)A煤柱達(dá)到一定寬度時(shí)（14 m），應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移到A煤柱內(nèi)；隨A煤柱寬度繼續(xù)增大，應(yīng)力峰值仍沿原方向在A煤柱內(nèi)逐漸遠(yuǎn)離巷道。巷道兩側(cè)峰值應(yīng)力的運(yùn)動(dòng)路徑可以描述為：逐漸靠近巷道→跨到巷道另一側(cè)→按原方向逐漸遠(yuǎn)離巷道。

表3 巷道兩幫煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值特征Table 3 Characteristics of vertical peak stress in both ribs of reused gateroad

3.2 不同寬度煤柱圍巖塑性區(qū)分布特征

不同煤柱寬度時(shí)圍巖塑性區(qū)分布見圖 4。從中可以看出，在煤柱寬度由小變大時(shí)，巷道周圍塑性區(qū)分布形態(tài)變化過程為：“X”型破壞→“Λ”形破壞→梯形破壞和梭形破壞；煤柱破壞區(qū)由貫通變?yōu)椴回炌āＣ褐鶎挾葹?～6 m時(shí)，煤柱完全破壞；煤柱寬度為8 m時(shí)，破壞區(qū)范圍逐漸減小，巷道圍巖為“X”型破壞；煤柱10～12 m時(shí)，煤柱內(nèi)破壞區(qū)仍貫通，但頂板出現(xiàn)彈性區(qū)，巷道周圍呈“Λ”型破壞；20 m以上時(shí)，破壞區(qū)不貫通，煤柱內(nèi)破壞區(qū)分成兩部分，煤柱內(nèi)靠近巷道側(cè)的破壞區(qū)為梯形破壞，煤柱內(nèi)靠近采空區(qū)側(cè)的破壞區(qū)為梭形破壞。

圖4 采動(dòng)影響后不同煤柱寬度巷道圍巖塑性區(qū)分布特征Fig.4 Plastic zone distributions with respect to pillar width

在S2106工作面采動(dòng)作用下，瓦排巷頂板出現(xiàn)拉破壞，底板為拉剪破壞，護(hù)巷窄煤柱以剪切破壞為主。護(hù)巷煤柱頂板存在一定范圍的彈性區(qū)，且隨著煤柱寬度的增加，彈性區(qū)范圍向?qū)捗褐鶅?nèi)頂板和窄煤柱底板逐漸擴(kuò)大，當(dāng)煤柱寬度大于20 m時(shí)，護(hù)巷煤柱內(nèi)彈性區(qū)和頂板內(nèi)相貫通。

3.3 不同煤柱寬度復(fù)用巷道變形規(guī)律

圖5為不同煤柱寬度時(shí)巷道圍巖變形規(guī)律。從中可看出，隨著巷道一側(cè)煤柱寬度的變化，巷道圍巖變形表現(xiàn)出不同的特征：當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)（4～8 m）巷道以窄煤柱幫變形為主，其次為頂板下沉和底鼓；當(dāng)煤柱中等寬度時(shí)（10～14 m），巷道以底鼓變形為主，其次為窄煤柱幫和頂板下沉；當(dāng)煤柱大于14 m后，巷道底鼓成為圍巖主要變形，巷道整體收斂減小。在A煤柱寬度增加過程中，兩幫收斂逐漸減小，頂?shù)装逡平葴p小后增大。

采用4～6 m煤柱護(hù)巷，受基本頂運(yùn)動(dòng)引起的變形壓力作用，巷道頂板和窄煤柱幫變形強(qiáng)烈；10～20 m煤柱護(hù)巷時(shí)，受采場(chǎng)垂直和水平應(yīng)力的集中作用，而水平應(yīng)力的作用是造成巷道嚴(yán)重底鼓的力學(xué)根源，此時(shí)底板變形較大。

圖5 煤柱寬度對(duì)復(fù)用巷道變形的影響Fig.5 Deformation rule of the gas tailgate with respect to pillar width

4 煤柱內(nèi)復(fù)用巷道穩(wěn)定性分析

從應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征來分析巷道穩(wěn)定性。當(dāng)A煤柱寬度達(dá)到20 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈雙峰分布，煤柱兩側(cè)均有一定寬度的塑性區(qū)，兩峰值間存在一定的彈性核區(qū)。此種狀態(tài)下煤柱有足夠的承載力保持自身穩(wěn)定。當(dāng)煤柱寬度小到4 m甚至更小時(shí)，最大垂直位移在煤柱的兩側(cè)、此時(shí)煤柱水平位移也很大，煤柱容易被壓垮破碎失穩(wěn)。當(dāng)煤柱為8～10 m時(shí)，A煤柱內(nèi)塑性區(qū)貫通，應(yīng)力呈單峰分布，煤柱有一定的承載力，且垂直應(yīng)力最大峰值處在B煤柱內(nèi)。雖然A煤柱受采動(dòng)影響進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，但已將部分垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)到到B煤柱中，A煤柱的載荷不大，通過在煤柱兩側(cè)采取一定的加固措施，依靠煤柱屈服后的殘余強(qiáng)度仍可以保持自身穩(wěn)定。當(dāng)A煤柱寬度為10～15 m時(shí)，煤柱處于塑性屈服狀態(tài)，煤柱內(nèi)沒有彈性區(qū)，應(yīng)力峰值作用在A煤柱上，使得煤柱承受較高的壓力，此時(shí)的煤柱寬度對(duì)煤柱內(nèi)巷道穩(wěn)定性不利。

許多學(xué)者從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬等方面對(duì)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力比值與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了研究[15－18]，結(jié)果表明，應(yīng)力的比值對(duì)圍巖破壞和巷道穩(wěn)定有非常大的影響。圖6為不同煤柱寬度時(shí)，A煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力峰值特征，由此可得，垂直壓力與水平壓力比值與煤柱寬度的關(guān)系如圖 7所示。當(dāng)A煤柱寬10 m時(shí)，應(yīng)力比值出現(xiàn)極小值，在A煤柱寬度15 m時(shí)，應(yīng)力比值達(dá)到極大值。由圖3和圖7可知，在應(yīng)力比值極小值和極大值之間的煤柱寬度，正是巷道圍巖峰值應(yīng)力從巷道一側(cè)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)的煤柱寬度，此時(shí)巷道圍巖處于高應(yīng)力區(qū)，不利于巷道穩(wěn)定。極小值左側(cè)隨著煤柱寬度的減小，應(yīng)力比值逐漸增加，煤柱穩(wěn)定性變差，巷道圍巖變形也大，最大峰值應(yīng)力始終在B煤柱中；極大值右側(cè)隨著煤柱增大，此應(yīng)力比值逐漸減小，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值不在煤柱中部而偏向煤柱采空區(qū)一側(cè)，煤柱的穩(wěn)定性逐漸提高。

圖6 A煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值特征Fig.6 Peak values of vertical and horizontal stresses in pillar A

圖7 不同寬度A煤柱內(nèi)垂直與水平應(yīng)力峰值的比值Fig.7 Ratio of vertical peak stresses to horizontal peak stresses with respect to pillar widths

當(dāng)A煤柱寬度小于10 m，煤柱內(nèi)水平應(yīng)力峰值隨煤柱寬度增加而迅速增大，當(dāng)A煤柱大于10 m后，水平應(yīng)力峰值增加緩慢。由此可見，寬度較小的煤柱承載力對(duì)水平應(yīng)力比較敏感，煤柱寬度較大時(shí)（大于14 m）煤柱內(nèi)水平應(yīng)力高，煤柱承載力高。

將復(fù)用巷道和兩側(cè)的A、B煤柱視為一個(gè)巷道系統(tǒng)，通過相鄰工作面回采后煤柱內(nèi)應(yīng)力演化特征發(fā)現(xiàn)，二次采動(dòng)對(duì)A煤柱的影響明顯大于B煤柱，A煤柱的穩(wěn)定是巷道系統(tǒng)穩(wěn)定的控制變量。將A煤柱寬度劃分為4個(gè)區(qū)域?qū)ζ浞€(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)（見圖8）：其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)為穩(wěn)定性較差區(qū)域，Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)為穩(wěn)定性較好區(qū)域。煤柱寬度在K點(diǎn)時(shí)為臨界寬度，垂直應(yīng)力峰值將在巷道兩側(cè)發(fā)生位置上的轉(zhuǎn)移。當(dāng)煤柱寬度很大時(shí)（IV區(qū)）巷道處于中等應(yīng)力環(huán)境中，逐漸接近原巖應(yīng)力，圍巖變形較小，巷道系統(tǒng)非常穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度接近臨界寬度時(shí)（III區(qū)）巷道將長(zhǎng)時(shí)間處于高應(yīng)力作用下，圍巖持續(xù)變形，穩(wěn)定性差；當(dāng)煤柱寬度減小到II區(qū)，巷道應(yīng)力環(huán)境得到改善，盡管圍巖變形較大，但在合理的支護(hù)作用下能維持系統(tǒng)穩(wěn)定；煤柱減小到I區(qū)，A煤柱水平應(yīng)力非常小，基本處于單軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)，采動(dòng)將導(dǎo)致煤柱坍塌巷道失穩(wěn)。

圖8 孤島煤柱內(nèi)復(fù)用回采巷道穩(wěn)定性分區(qū)Fig.8 Division of stability area of gateroad along isolated pillar

因此合理、經(jīng)濟(jì)的煤柱寬度應(yīng)該在II區(qū)，在保持巷道穩(wěn)定的同時(shí)提高煤炭采出率。結(jié)合以上分析，本項(xiàng)目中合理煤柱寬度為8 m，既提高了煤炭采出率，又滿足巷道使用要求。

5 工程實(shí)踐

通過以上研究，確定某礦S2106工作面本區(qū)段采用8 m小煤柱護(hù)巷，巷道斷面凈寬為4.8 m，凈高為3.2 m，支護(hù)參數(shù)為：①頂板：D22 mm L2 400 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距860 mm × 900 mm，配以“五花”布置錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索為 D18.9 mm L8 300 mm，間排距為1 290 mm × 900 mm；②兩幫：錨桿規(guī)格同頂板錨桿，間排距為900 mm × 900 mm。小煤柱幫采用D18.9 mm L8 500 mm對(duì)穿錨索，間排距為1 000 mm × 1 800 mm。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中對(duì)瓦排巷表面位移和錨桿、錨索受力進(jìn)行礦壓觀測(cè)，如圖9、10所示。

由圖9可知，S2106回風(fēng)順槽掘進(jìn)40 d后，瓦排巷變形基本穩(wěn)定，兩幫相對(duì)移近量約 120 mm，頂?shù)装迨諗繛?60 mm，但在0～20 d瓦排巷以兩幫變形為主，20 d后頂?shù)紫鄬?duì)移進(jìn)量超過兩幫收斂量。

由圖10可知，錨桿安裝后10 d內(nèi)頂錨桿和幫錨桿載荷急劇增長(zhǎng)，頂錨桿載荷增加到70 kN左右，幫錨桿增加到50 kN左右，至15 d后，頂錨桿和幫錨桿載荷逐漸趨于穩(wěn)定，分別達(dá)到110 kN和90 kN左右。這表明錨桿載荷增長(zhǎng)迅速、能夠及時(shí)承載，從而控制圍巖變形效果較好。

圖9 瓦排巷表面變形曲線Fig.9 Deformation-time curves of gas tailgate

圖10 瓦排巷錨桿載荷變化曲線Fig.10 Load curves of bolts in reused gateroad

6 結(jié) 論

（1）復(fù)用回采巷道一側(cè)護(hù)巷煤柱寬度增加，孤島煤柱巷道系統(tǒng)內(nèi)垂直應(yīng)力峰值的運(yùn)動(dòng)路徑為：逐漸靠近巷道→跨到巷道另一側(cè)→按原方向逐漸遠(yuǎn)離巷道。

（2）當(dāng)護(hù)巷寬度的增加時(shí)，復(fù)用巷道圍巖的破壞形態(tài)變化過程為：“X”型破壞→“Λ”型破壞→梯形破壞和梭形破壞；煤柱破壞區(qū)由貫通變?yōu)椴回炌?。圍巖內(nèi)以剪切破壞為主，淺部圍巖出現(xiàn)拉剪破壞。當(dāng)一側(cè)煤柱小于6 m時(shí)，巷道圍巖變形以窄煤柱幫和頂板變形為主，隨著煤柱寬度增大，底鼓愈加嚴(yán)重，頂板和兩幫變形減小。

（3）根據(jù)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值與水平應(yīng)力峰值的比值，將決定巷道穩(wěn)定性的護(hù)巷煤柱寬度劃分為4個(gè)區(qū)域。煤柱寬度變化時(shí)，在應(yīng)力峰值比值的極小值和極大值之間巷道圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境中，圍巖應(yīng)力環(huán)境差；在極大值右側(cè)煤柱增大穩(wěn)定性逐漸變好；在極小值左側(cè)一定距離內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定性較好的區(qū)域；煤柱寬度太窄，煤柱穩(wěn)定性逐漸變差。

（4）經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的護(hù)巷煤柱寬度，應(yīng)處于穩(wěn)定性分區(qū)的II區(qū)，同時(shí)需要配合有效的巷道支護(hù)技術(shù)，最終保持孤島煤柱內(nèi)復(fù)用巷道的圍巖穩(wěn)定。綜合分析，確定本文地質(zhì)條件下留巷小煤柱的合理寬度為8 m。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果證明了設(shè)計(jì)的合理性。

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