不同寬度區段煤柱巷道圍巖結構及變形機理研究

師培俊

【摘 要】 在不同寬度區段內，對綜放工作面回采巷道的圍巖結構特征及其變形破壞進行研究具有重大的理論意義和實際應用價值，如它可以提高回采率、減少成本、確保礦井的安全生產等。研究不同寬度區段內煤柱巷道圍巖結構及變形機理也是煤礦支護中的關鍵任務。本文通過對不同煤柱寬度情況下巷道力學特性的分析，來分析巷道的圍巖結構，以此得到煤柱巷道圍巖變形破壞的機理。

【關鍵詞】 煤柱巷道；圍巖結構特征；變形機理；支護

前言

煤炭作為我國的重要能源，在社會生產和人民生活中占有著重要的地位。我國煤炭資源目前的形勢是總體儲量大、資源豐富，但是巷道所在地層的開采條件十分復雜，地層的特點也各種各樣，所以很難對巷道進行開掘。因此，正確理解煤柱巷道圍巖的結構和破壞機理，能夠有效地領悟巷道支護理論，并且選取合理的支護方案，來降低開采煤礦的成本以及保證生產的安全性。

1 研究的原理及意義

1.1 研究的意義

我國研究巷道圍巖結構及變形機理的歷史悠久，尤其是在最近五十年期間，隨著人民經濟水平的提高和科技的快速進步，我國對不同寬度區段內煤柱巷道圍巖的結構及變形機理的研究和控制方面取得了較高的成就，也吸引了眾多國外領域人士前來瞻仰。很多地質工作者在這個領域不斷的進行研究探索，通過各種形式的試驗、理論研究等等，均取得了較為豐碩的研究成果。目前，煤柱巷道圍巖結構及變形機理研究成果主要有：越來越貼近實際地理解并認識了回采巷道的礦壓特征；越來越全面并完善的掌握了煤柱巷道圍巖與支護作用之間的相互關系。因此，研究不同寬度區段煤柱巷道圍巖結構及變形機理，有利于對巷道進行維護，降低生產成本，減少煤礦的損失率，也對提高綜合開采效率和采區回采率有著十分重要的意義。

1.2 研究方法

本文首先運用彈性力學、巖石力學建立理論結構力學研究模型，得到在不同工作面上不同寬度區段煤柱巷道圍巖與支護系統的動態演化規律，再使用數值模擬的方法研究它在時間和空間上的聯系，然后再通過現場監測、室內實驗的方法進行巷道穩定性分析并得出結論。

2 不同寬度區段煤柱巷道力學性質分析

2.1 不同寬度煤柱圍巖結構特征

要想對回采巷道進行必要的控制，需要正確的認識其礦壓規律和穩定性特征，那么就首先要求我們理解圍巖的結構特性及圍巖的賦存特征即力學幾何特性。在不同地層上，回采巷道的極限強度和變化量等特性也不盡相同，有時可能千差萬別。但是，這些不同在強度和變形狀態的宏觀方面卻又表現出驚人的一致性。依據前人的研究成果可知：回采巷道圍巖的三軸抗壓強度大于單軸抗壓強度，單軸抗壓強度又大于純剪強度，純剪強度又大于抗拉強度。煤層如果形成的時間不同或者所含的礦物成分有差別時，那么這些巖層在力學特性和幾何特性等方面表現出來的狀態也會不同。如此可見，必須系統而全面的分析好煤柱圍巖的結構，才能充分理解回采巷道的礦壓顯現規律。

2.2 不同區段煤柱巷道圍巖結構特征

若巷道兩邊都是沒有采過的煤層時，因為巖層中只有一小部分被挖掘，所以巷道圍巖被影響的范圍也比較窄。圍巖的破壞地點具有對稱特性，圍巖礦壓特征大部分受采動影響和掘進的影響，但是不會破壞到老頂的巖層。

如果巷道圍巖的結構為一側已被采空的類型，由于采空區邊界對應的巖層巖性和支持條件不同，各個巖層的下沉程度也會有所差異，這樣就會造成在彎曲變形過程中出現分層間的部分離析現象。又由于每個巖層呈現出彼此獨立的彎曲變形，所以層與層之間會出現相對的錯位或錯位的趨勢，這樣便會導致層間的滑動阻力出現。

這兩種煤柱巷道的圍巖結構的最終形態大致相同，但是它們巷道支護所承受的載荷變化還有變化的情形卻大大不同。煤體-煤柱巷道的圍巖破壞情況和煤柱的大小有關系，當煤柱足夠大的時候，采空區與巷道圍巖的破碎區中斷。相反，如果煤柱特別小時，采空區與巷道圍巖的破碎區相互連接，形成不同形狀的破碎帶。煤體-采空區巷道與煤體-煤柱巷道的情況類似，它們具有一致的最終形態但是它們的圍巖以及所承受的載荷變化以及變化情形卻大大不同。

2.3 區段煤柱變形破壞機理分析

普通綜采面和綜放面得采場礦壓相比，綜放面的礦壓對老頂圍巖的影響大于普采，因為綜采一次性的采高比較大。所以，綜放面在傾斜方向的支撐壓力比普采面得影響范圍大。總體來看，區段煤柱的變形情況呈現出多樣性，因為煤層本身的性質差異。在側向支撐壓力的作用下，區段煤柱破壞和純軸壓縮實驗相像，加載方式為給定的變形控制加載方式。側向斷裂位置和煤壁的距離影響老頂的斷裂深度，側向支撐壓力越明顯煤柱變形越大。這樣使得使用小區段煤柱護巷帶來一定的難度，否則煤柱的變形也就比較緩和。

2.4 不同寬度區段煤柱巷道圍巖邊界條件

在服務期內，區段回采巷道都要受到掘進、回采和時間等因素的影響，根據區段回采的準備系統，區段巷道根據巷道和采空區的相對位置可以分為三種布置方式：煤體-煤體巷道、煤體-煤柱巷道、煤體-采空區巷道。關鍵層理論指出，在煤系巖層中，由于成巖時間和成巖礦物成分有差異，巖層的厚度和力學幾何特性等方面也有著一定的差別。破裂巖石上的載荷可以大致認為巖石自重以及關鍵層之間對應區域軟弱巖層的重量之和。

3 數值模擬法在確定煤柱寬度的應用

目前，數值模擬法主要有限差分法、限元法和離散元法等用來確定綜放工作面煤柱寬度的確定。陳忠輝曾經對山西大同礦務局某礦使用FLAC軟件對放頂煤三維煤場做了全面的研究，從而得到了三維模型的應力變形以及單元破壞數值分析的結果。他認為支撐壓力具有明顯的分區特性在綜放采煤過程中。

同樣，張滿賢等人采用巖土工程結果彈塑性非線性有限元分析FEVP 2程序，對煤礦綜放面建立了煤柱計算數值模擬模型。他認為煤柱寬度對巷道圍巖的變形影響頗深，一般情況下巷道圍巖的變形會隨著煤柱寬度的變大而減小；煤柱的穩定性隨著煤柱寬度的變小而變好，且煤柱的支撐壓力疊加程度變高；煤柱的彈性核只有在煤柱寬度大于20m時才會形成，并且彈性核會在應力集中系數增加的時候消失。

張金亮采用針對非連續介質模型的離散元數值計算程序UDEC3.0計算出了采空區上部側向支撐應力的分布特征和規律。還根據這一演化規律，在綜合考慮了煤層內部因素的前提下選擇不同應力條件下的煤柱寬度來分析不同寬度煤柱的變形情況，進而得出了在這個地質條件下的煤柱寬度范圍值。

4 結論

本文針對三種不同的巷道布置方式和布置地點將巷道分為煤體-煤體巷道、煤體-煤柱巷道、煤體-采空區巷道，運用理論力學分析、數值模擬和室內實驗三種研究方法，介紹了三種巷道圍巖的結構特性和變形狀態，分析了其受力條件和移動位移量，并據此總結了不同寬度區段煤柱巷道圍巖結構以及變形機理。除此之外，還研究了巷道圍巖邊界條件對巷道圍巖變形破壞產生的影響，并通過數值模擬的方法系統地分析了圍巖采動變形和煤柱破壞的變化規律，以及不同煤柱寬度產生的影響因素。可知，受干擾最小的巷道為巖層中掘進的巷道，它的受力條件也比較穩定，因此要保護好圍巖的完整性來使之減小周邊圍巖對其的干擾性。最容易受到破壞的煤體為護巷煤柱兩側煤體，特別是位于上區段采空區兩側的煤體，很容易受到回采擾動且難以維持穩定的狀態。

由于煤炭地質條件復雜、開采條件各異，煤炭綜放工作面回采過程中不同寬度區段煤體圍巖穩定性評價、結構、變形機理、破壞規律及其研究成為科學研究的重要問題。對不同寬度區段煤柱巷道圍巖結構及其變形機理研究占有重要的理論價值和實際應用意義。由于本文作者水平有限，問題復雜，具體工程還應考慮許多影響因素，以降低支護的成本，控制圍巖變形，提高經濟效益。

參考文獻

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