沿空掘巷工作面圍巖變形規(guī)律研究

王炳方

（汾西礦業(yè)水峪煤礦，山西 孝義 032300）

引 言

為了避免相鄰工作面之間已采工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力對(duì)未采工作面影響，需要在相鄰工作面之間設(shè)置一定寬度的煤柱，不僅造成資源的浪費(fèi)，而且煤柱會(huì)對(duì)近距離開采的煤層產(chǎn)生較大的影響。沿空掘巷是一種窄煤柱護(hù)巷的技術(shù)，其是當(dāng)工作面回采完畢采空區(qū)趨于穩(wěn)定時(shí)，沿著采空區(qū)掘進(jìn)下一回采工作面的巷道［1－4］。沿空掘巷既節(jié)約了煤炭資源，又會(huì)使掘進(jìn)巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，降低高集中應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形的影響，減小支護(hù)難度。本文以某礦工作面為研究對(duì)象，分析了沿空掘巷工作面圍巖變形規(guī)律，為該工作面的巷道圍巖支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

1505工作面位于某礦五采區(qū)，工作面北部為已回采完畢1503工作面，東部為五采區(qū)集中皮帶巷和軌道巷，西部為已經(jīng)回采完畢的1501工作面。地面標(biāo)高＋43.2m～＋44.8m左右，井下標(biāo)高－705m～－850m左右，埋深約750m～900m左右，表土層厚度為580m左右。煤層厚度約2.0m～4.5m，平均厚度3.5m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角為6°～10°。f＝1.7左右。為了避免資源的浪費(fèi)，減小護(hù)巷煤柱的大小，1505工作面沿著已回采完畢的1503工作面掘進(jìn)膠帶運(yùn)輸巷。1505工作面位置示意圖見圖1。

圖1 1505工作面位置示意圖

2 沿空巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)

沿空掘巷由于相鄰兩工作面之間煤柱小，其上覆巖層結(jié)構(gòu)與大煤柱巷道掘進(jìn)不同，主要表現(xiàn)為靠近采空區(qū)一側(cè)巷道煤體受到采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，其承載能力降低，處于不穩(wěn)定狀態(tài)［5］。在外界擾動(dòng)下，工作面上覆巖層直接頂垮落，直接頂沿?cái)嗔丫€整體切斷垮落，而不存在巖層的縱向離層運(yùn)動(dòng)，直到垮落的巖石充滿整個(gè)采空區(qū)空間時(shí)，上覆巖層運(yùn)動(dòng)停止，其上覆巖層運(yùn)動(dòng)示意圖如第73頁圖2所示。

3 沿空巷道側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

沿空巷道受到已采空工作面?zhèn)认蛑С袎毫捅竟ぷ髅娉爸С袎毫Φ挠绊懀煽諈^(qū)側(cè)向支承壓力影響的大小取決于沿空掘巷所留煤柱的大小。隨著工作面向前推進(jìn)，靠近采空區(qū)一側(cè)巷道圍巖應(yīng)力升高形成應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)高集中應(yīng)力超過邊緣煤體所能承載的極限時(shí)，巷道圍巖由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，圍巖發(fā)生變形破壞。側(cè)向支承壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，在外界擾動(dòng)的影響下，巷道頂板在工作面兩側(cè)發(fā)生斷裂破壞，形成內(nèi)、外兩個(gè)應(yīng)力場，其應(yīng)力分布示意圖如圖3所示。圖3中，1為內(nèi)應(yīng)力場曲線，2為外應(yīng)力場曲線。內(nèi)應(yīng)力場處于頂板斷裂線與煤體邊緣之間，其應(yīng)力值較小；外應(yīng)力場處于斷裂線外側(cè)，在斷裂線附近應(yīng)力升高，形成應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，垮落巖石逐漸充滿采空區(qū)空間，巷道圍巖趨于穩(wěn)定，應(yīng)力值逐漸減小，最后穩(wěn)定在原巖應(yīng)力值大小。

圖2 沿空掘巷上覆巖層運(yùn)動(dòng)示意圖

圖3 工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力示意圖

4 煤柱尺寸對(duì)巖空巷道圍巖穩(wěn)定性分析

4.1 模擬方案

沿空掘巷煤柱的尺寸決定巷道圍巖的穩(wěn)定性，合理煤柱尺寸有利于沿空巷道的掘進(jìn)安全。煤柱的尺寸過大會(huì)造成資源浪費(fèi)，而煤柱尺寸較小也會(huì)影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，因此，需要對(duì)沿空巷道窄煤柱合理尺寸進(jìn)行研究。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)1505工作面沿空巷道不同尺寸大小巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行分析，得到工作面沿空巷道合理煤柱尺寸。根據(jù)1505工作面巖層性質(zhì)設(shè)定模型參數(shù)，建立50m×50m×40m模型，模型上方施加20MPa應(yīng)力荷載，模擬三種情況的垂直位移、水平位移和塑性區(qū)范圍圖。其中，材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

采用FLAC3D對(duì)1505工作面沿空巷道留設(shè)4、5、6、7、8、9m 窄煤柱進(jìn)行模擬，通過垂直應(yīng)力圖對(duì)巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行分析，得到不同煤柱尺寸垂直應(yīng)力圖，如第74頁圖4所示。

由圖4可知，1505工作面沿空巷道與采空區(qū)之間窄煤柱寬度為4m～6m時(shí)，巷道頂板和兩幫垂直應(yīng)力較小，沒有形成高集中應(yīng)力區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果，煤柱內(nèi)應(yīng)力值的大小隨著煤柱寬度的大小逐漸增大，分別為4、5、6MPa。此時(shí)，沿空巷道窄煤柱最大垂直應(yīng)力小，遠(yuǎn)小于圍巖煤體的大小。

隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大，當(dāng)其寬度為7m～9m時(shí)，巷道頂板垂直應(yīng)力小，沒有形成高集中應(yīng)力區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果，煤柱內(nèi)應(yīng)力值隨著煤柱寬度的增大而逐漸增大，分別為9、12、14MPa，應(yīng)力值變化顯著，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力高，對(duì)巷道的圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。

沿空巷道窄煤柱應(yīng)力值隨著煤柱尺寸的增加而增大，當(dāng)煤柱寬度為4m～6m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力值較小，沒有形成高集中應(yīng)力區(qū)；當(dāng)煤柱寬度為7m～9m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力值增大，對(duì)沿空巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

根據(jù)1505工作面數(shù)值模擬垂直應(yīng)力圖可知，沿空巷道煤柱應(yīng)力值隨煤柱尺寸的增加而增大，當(dāng)煤柱尺寸為6m時(shí)，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)初始應(yīng)力區(qū)，此時(shí)，煤柱內(nèi)部存在穩(wěn)定的支承核，有利于保障沿空巷道的穩(wěn)定性，保證沿空巷道安全掘進(jìn)。

5 結(jié)論

1）以某礦沿空巷道1505膠帶運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，研究了沿空掘巷上覆巖層結(jié)構(gòu)，得到了上覆巖層運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律；并對(duì)沿空巷道側(cè)向支承壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析，得到了巷道內(nèi)、外兩個(gè)應(yīng)力場分布規(guī)律。

圖4 不同煤柱尺寸巷道圍巖垂直應(yīng)力圖

2）采用采用FLAC3D對(duì)1505工作面沿空巷道留設(shè)4、5、6、7、8、9m 窄煤柱進(jìn)行模擬，通過垂直應(yīng)力圖對(duì)巷道圍巖變形破壞情況進(jìn)行分析，得到了煤柱為6m時(shí)最優(yōu)，有利于沿空巷道的圍巖穩(wěn)定性。