馬蘭礦12504工作面窄小煤柱穩(wěn)定性研究

王 磊

（西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030205）

目前，長壁綜采工作面采用大型自動化設(shè)備、具有機(jī)械化高效高產(chǎn)的特點(diǎn)，在現(xiàn)代化礦井采煤中非常普遍[1-2]。因而，長壁開采回采巷道煤柱寬度的確定和穩(wěn)定性特征成為眾多學(xué)者關(guān)注難題之一。研究表明，無論是寬煤柱護(hù)巷還是窄煤柱護(hù)巷，巷道和煤柱都位于采場的三維應(yīng)力場中，煤柱寬度的改變不僅影響其自身的物性和應(yīng)力分布，而且會對附近采場的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響到巷道的穩(wěn)定性[3-7]。

為了分析馬蘭礦12504工作面留設(shè)窄小煤柱的穩(wěn)定性，并確定其對回采巷道的穩(wěn)定性影響，本文運(yùn)用大型三維數(shù)值計(jì)算軟件[8]對12504工作面回采巷道和煤柱圍巖的應(yīng)力、位移、破壞區(qū)域進(jìn)行了研究。分析了護(hù)巷煤柱、采場和回采巷道周圍的應(yīng)力場和位移場分布，確定出煤柱和回采巷道圍巖的卸壓區(qū)和破壞區(qū)域，為合理留設(shè)煤柱提供理論依據(jù)。研究結(jié)果可供同類礦井的支護(hù)和生產(chǎn)參考。

1 工作面的地質(zhì)條件

馬蘭礦是座新型礦井、國有重點(diǎn)煤礦，隸屬于山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司，距太原市69km。它的12504工作面地表位于馬頭山及大蛇溝，地表多被黃土覆蓋，溝谷兩側(cè)出露P2S2地層，蓋山厚度337～400 m，平均358m。工作面采煤層為石炭二疊系山西組2號煤，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層厚度2.68～3.57 m、均厚3.26 m，為1號與2號煤層合并區(qū)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；靠上部含一層夾矸，厚度0.07～0.40 m、平均0.17 m；巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主，煤層結(jié)構(gòu)0.29（0.17）2.80。本區(qū)上部02號煤大部未采，煤厚1.05～1.30 m，平均1.10 m；02號煤與2號煤層間距8～14m、平均11m。

2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)12504工作面的地質(zhì)和開采條件，依據(jù)數(shù)值計(jì)算的建模原則，模型長148 m，寬80 m，高29.1 m，其中兩條回采巷道寬各4m，窄小煤柱寬8m，寬煤柱寬30 m，。模型（除上邊界外）的五個邊界面的法向位移固定，上邊界施加10 MPa的均布壓力，以模擬上覆巖層的重力作用，并且施加重力場。巖層厚度及力學(xué)參數(shù)如表1所示。計(jì)算過程中，首先平衡重力場，隨后開掘回采巷道，最后開挖工作面。

表1 數(shù)值計(jì)算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)表

3 模擬結(jié)果分析

圖1 初始應(yīng)力場

圖1為初始應(yīng)力場分布云圖。認(rèn)為初始應(yīng)力場由原巖自重應(yīng)力場產(chǎn)生，從上往下，鉛垂應(yīng)力逐漸增大，近似靜水壓力。

3.1 掘巷后的巷道穩(wěn)定性分析

可以通過回采巷道圍巖的應(yīng)力場和位移場的分布特征，判斷巷道的穩(wěn)定性特征。因此繪制了巷道附近鉛垂和水平方向的應(yīng)力及位移等值線圖，并且繪制了圍巖破壞區(qū)域分布圖。

圖2 掘巷后鉛垂應(yīng)力分布云圖

圖2為鉛垂應(yīng)力分布等值線圖，在兩條回采巷道周圍、煤壁一定深度都有應(yīng)力集中區(qū)域；在兩巷中間的煤體上，應(yīng)力集中區(qū)域和集中程度較大，且應(yīng)力集中區(qū)域較深。巷道表面附近的圍巖，都處于應(yīng)力衰減區(qū)域；即卸壓區(qū)在兩巷中間的煤柱下面，也存在一定大小的應(yīng)力集中區(qū)域。

圖3 掘巷后水平應(yīng)力分布云圖

圖3為掘巷后的水平應(yīng)力分布云圖。在巷道頂?shù)装甯浇纬闪诵秹簠^(qū)域，深部存在應(yīng)力集中區(qū)。

圖4 掘巷后鉛垂位移分布云圖

圖4為掘巷后圍巖的鉛垂位移分布云圖。鉛垂位移最大處在兩條回采巷道的頂板正上方；在兩條巷道上方，整體鉛垂位移都較大；向兩工作面方向靠近，鉛垂位移逐漸減小；巷道地板鉛垂位移向上，表明頂?shù)装寰嚯x減小，即頂?shù)装逶谝平?/p>

圖5 掘巷后水平位移分布云圖

圖5為巷道掘成后圍巖的水平位移分布云圖。在巷道兩幫形成較明顯的水平位移，巷道兩幫移近。

圖6 掘巷后圍巖破壞區(qū)域分布圖

圖6為掘巷后圍巖的破壞區(qū)域分布圖。巷道圍巖形成了一定的破壞區(qū)，幫部破壞深度較頂?shù)装迳源螅數(shù)装迤茐膮^(qū)域靠近兩條巷道之間的煤柱。

3.2 12503工作面回采后的圍巖穩(wěn)定性分析

煤柱穩(wěn)定性主要依靠煤柱上的應(yīng)力分布和煤柱表面附近的水平位移判斷。為了分析窄小煤柱的穩(wěn)定性特征，繪制12503工作面采后圍巖的鉛垂和水平方向應(yīng)力及位移云圖，以及圍巖破壞區(qū)域分布圖。從圖7看出，煤柱表面附近都出現(xiàn)了卸壓區(qū)，在靠近采空區(qū)附近煤柱上卸壓區(qū)范圍更大，此處鉛垂應(yīng)力最小。再往深部是應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中程度高、范圍大。巷道表面形成了較大范圍卸壓區(qū)域，靠近采空區(qū)域巷道周邊煤柱都有較大應(yīng)力集中區(qū)，尤其在靠近采空區(qū)一邊。

圖7 12503工作面采后鉛垂應(yīng)力分布云圖

圖8 12503工作面采后水平應(yīng)力分布云圖

圖8為12503工作面采后水平應(yīng)力分布云圖。水平應(yīng)力最大處在12503工作面采空區(qū)上方，窄煤柱上方、靠近采空區(qū)回采巷道上方、寬煤柱上方，都有較大的水平應(yīng)力。

圖9 12503工作面采后鉛垂位移分布云圖

圖9為12503工作面回采后圍巖的鉛垂位移分布云圖。在12503工作面采空區(qū)上方，覆巖下沉明顯；尤其是在采空區(qū)中央，覆巖下沉量最大；往煤柱方向，覆巖的下沉量逐漸減下。

圖10 12503工作面采后水平位移分布云圖

圖10為12503工作面回采后圍巖的水平位移分布云圖。煤柱表面附近都出現(xiàn)了較大水平位移；煤柱上最大水平位移出現(xiàn)在煤柱靠近采空區(qū)處；上覆巖層在采空區(qū)和窄煤柱交界處上方一定范圍內(nèi)，形成較大水平位移。

圖11 12503工作面采后圍巖破壞區(qū)域分布圖

圖11為12503工作面回采后圍巖的破壞區(qū)域分布圖。采空區(qū)上方巖層垮落，并在上方形成大范圍的圍巖破壞區(qū)；離采空區(qū)較遠(yuǎn)的巷道幾乎不受影響；靠近采空區(qū)的回采巷道圍巖破壞區(qū)域和深度有所增大，尤其是靠近采空區(qū)的巷道幫部，窄煤柱煤體破壞區(qū)域大；但是破壞區(qū)域沒有貫通，煤體內(nèi)部存在一定彈性區(qū)域，表明煤柱留設(shè)合理，既滿足生產(chǎn)穩(wěn)定性要求，又不存在過度資源浪費(fèi)。

從數(shù)值模擬結(jié)果看：遠(yuǎn)離12503工作面的回采巷道受工作面采動影響非常小；靠近12503工作面的回采巷道在工作面采后，圍巖破壞區(qū)域急劇增大，并在周圍煤體中形成很大應(yīng)力集中區(qū)域；窄煤柱上應(yīng)力集中程度最高，煤柱應(yīng)變能密度相應(yīng)很大，煤體上積聚了大量的勢能；此時，不僅要對巷道加強(qiáng)支護(hù)，還要對窄煤柱加強(qiáng)支護(hù)，并要采取措施防止煤巖突出。

4 支護(hù)建議

馬蘭礦12504工作面窄煤柱留設(shè)的穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，巷道掘成后兩條回采巷道周圍都有破壞區(qū)域，應(yīng)對巷道幫部和頂板進(jìn)行支護(hù)，防止冒頂和片幫事故。當(dāng)12503工作面回采時，靠近采空區(qū)的巷道圍巖應(yīng)力集中程度增大，破壞區(qū)域增大，窄煤柱上面的應(yīng)力集中程度和范圍都很大；故應(yīng)對此巷道加強(qiáng)支護(hù)，建議巷道進(jìn)行整體錨固（靠近幫部的頂錨桿和靠近頂部的幫錨桿傾斜安裝，以形成整體錨固結(jié)構(gòu)），并要使用錨網(wǎng)、鋼帶、鋼筋梁等措施加強(qiáng)支護(hù)，必要時使用單體支柱對頂板進(jìn)行支護(hù)，并對煤柱采取加固措施防止煤突出。

5 結(jié)束語

本文利用大型數(shù)值計(jì)算軟件，分析了馬蘭礦12504長壁工作面留設(shè)窄小煤柱的穩(wěn)定性特征，探討了回采巷道掘進(jìn)和12503工作面回采對回采巷道穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：第一，馬蘭礦12504和12503工作面間的回采巷道不同于單個巷道，圍巖存在二次應(yīng)力場疊加；12503回采時，靠近采空區(qū)的回采巷道穩(wěn)定性極差，要采取加強(qiáng)支護(hù)措施。第二，窄小煤柱在工作面回采后，煤體上形成大范圍的破壞區(qū)，中部形成應(yīng)力集中程度高的區(qū)域，要防止煤突出。第三，12503工作面回采時，靠近采空區(qū)的回采巷道應(yīng)該采用整體錨固、加強(qiáng)錨固強(qiáng)度、錨固密度、錨固長度，并采用鋼帶、錨網(wǎng)、鋼筋梁加強(qiáng)支護(hù)，必要時采用單體支柱對頂板加強(qiáng)支護(hù)。

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