空巷影響下的煤柱綜放面圍巖活動規律模擬分析

李思佯

（潞安環能股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031）

王莊煤礦采用的長壁綜采工藝，留存了相當數量的殘留護巷煤柱，這些煤柱總體上賦存較穩定，煤層頂底板條件較好，煤層厚度較大，具有很高的開采價值。隨著礦井資源的逐漸枯竭，煤柱開采成為必要選項。然而，煤柱附近都為采空區，原有設計工作面回采后的運輸、回風等殘留空巷，造成空巷圍巖壓力集聚，使煤柱工作面面臨的空頂面積明顯增大，極易造成冒頂、垮落，工作面兩巷圍巖變形更加劇烈。為了確保煤柱工作面的正常回采，必須充分認識工作面過空巷的圍巖活動規律，以便采取合理的圍巖預加固方法和安全技術措施。本文以王莊煤礦6212工作面為例，對工作面圍巖活動規律進行分析。

1 工程概況

6212煤柱工作面東北為6210與6209已采工作面，西北為實體煤，東南為6208在采工作面，西南接630/3皮帶巷。3號煤層厚度穩定，均厚6.9m，煤層底板標高622～634m，煤層傾角1°～4°。回采過程中會遇到很多空巷，見圖1。從空巷所處層位來看，有的空巷與工作面兩巷一樣，沿3號煤層底板掘進，如62上山皮帶巷、62上皮水倉、6209風巷；剩余的空巷基本上都是沿3號煤層頂板掘進，主要包括采區回風、配風巷道、740水平回風巷道等。空巷與6212煤柱工作面交錯分布，夾角呈現29°～90°不等。

圖1 6212工作面內空巷分布圖

2 數值模擬模型的建立

為了揭示在空巷影響下6212煤柱綜放工作面圍巖活動規律，基于FLAC3D數值模擬軟件，根據王莊煤礦6212工作面實際工程地質條件，構建了相似數值模擬模型，見圖2、圖3。6212工作面及6208采空區各取100m，區段窄煤柱按5m取，模型中6212工作面共存在5條空巷，空巷在6212工作面分布位置如圖3所示。模型尺寸長×寬×高為270m×270m×22.5m，Y方向為工作面回采方向。模型的邊界條件為：根據工作面標高和地面標高計算平均埋深約為377m，上覆巖層容重按25kN/m3考慮計算，因此在模型上部邊界施加9.4MPa的垂直應力，以便固定模型邊界位移量，構建力學本構模型。根據工作面5條空巷賦存位置的不同可分為頂煤空巷和底煤空巷。針對頂煤空巷和底煤空巷分別進行分析，主要包括總工作面頂、底板斜交空巷，回采遇見空巷交叉點等過程中，空巷圍巖的應力變化情況。工作面每推進一次計算5000steps，針對不同工作面回采位置，沿著空巷走向方向進行切面處理并出圖分析。

圖2 6212煤柱工作面數值模擬模型

圖3 模型中空巷位置示意圖

3 數值模擬結果分析

3.1 工作面回采過程中頂煤斜交空巷活動規律

6212工作面回采過程中，頂煤斜交空巷靠近采空區側，受到臨近采空區壓力影響發生了應力變形，但由于工作面距離空巷較遠，未形成圍巖破壞增大區。當工作面距離空巷由30m減小到10m時，圍巖破壞區范圍增大，主要分布在空巷靠近實體煤側頂板，而隨著工作面距離空巷的進一步減小，頂板塑性破壞區范圍進一步增大，垂直圍巖應力達到20MPa左右，應力集中系數達到1.8，水平應力急劇上升，達到80～100MPa。當工作面推進到空巷位置時，沿空巷走向方向約一半長度發生了塑形變形破壞，垂直圍巖應力達到25MPa，而水平應力又恢復至20MPa左右。在此過程中，空巷周邊圍巖水平應力普遍大于垂直應力，水平應力在20～50MPa范圍內波動。受到6212工作面回采超前動壓影響，空巷周邊圍巖塑性變形區域繼續增大，當工作面切割空巷24m時（工作面推進到空巷走向長約1/3處），空巷周邊圍巖完全進入塑性區，直至工作面通過空巷。如圖4所示。

圖4 空巷距離工作面不同位置圍巖塑性區分布

3.2 工作面回采過程中底煤斜交空巷活動規律

6212工作面距離空巷30m時，工作面正在切割頂板空巷，受到回采動壓及空巷的雙重影響，空巷周邊圍巖垂直應力增加到10MPa左右，見圖5（a）。工作面距離空巷20m時，在空巷靠近實體煤側頂板出現塑性破壞，空巷周邊圍巖應力最大可達20MPa，見圖5（b）。工作面距離空巷由20m減小至5m時，塑性變形破壞區域持續增大，主要集中在空巷頂板，見圖5（c）。工作面推進到空巷位置時，沿空巷走向方向約一多半長度發生塑性變形破壞，見圖5（d）。空巷周邊圍巖水平應力普遍大于垂直應力，水平應力在20～50MPa范圍內波動。

3.3 工作面回采過程中交叉點圍巖活動規律

由于原6209風巷和6212風巷與62上山軌道巷的兩個交叉點距離很近，交叉點附近的較大范圍的圍巖一定處于應力疊加影響區中，特別是原6209風巷和6212風巷之間的整個窄煤柱受到應力疊加的影響最嚴重，特別容易發生變形和破壞。在所有交叉點中，6212工作面回采通過該處的交叉點難度最高，因此需對工作面推進過程中該處交叉點圍巖變形和受力情況進行分析。模擬結果顯示，工作面與交叉點距離從40m推進至20m范圍內，交叉點附近圍巖逐漸從半塑性狀態進入完全塑性區，而隨著距離的不斷減小，塑性區范圍逐漸擴展至交叉點附近，當推進到交叉點處時，空巷一半以上圍巖均進入塑性變形狀態。在此過程中，垂直應力可達到100～200MPa，水平應力可達到 50～100MPa，應力集中系數最高。如圖6所示。

圖5 空巷距離工作面不同位置圍巖塑性區分布

圖6 工作面前方不同位置交叉點塑性區分布

4 結 語

數值模擬結果表明，受6212煤柱綜放工作面回采的影響，不同層位空巷圍巖發生的變形破壞規律不同，但空巷圍巖變形破壞程度都較嚴重，而隨著回采工作面與空巷距離的減小，圍巖變形破壞程度更為集中。為了保證煤炭資源的安全回采，必須針對空巷與工作面間的位置關系提出相應的空巷預加固措施，并提出相應的過空巷安全技術措施。本研究成果為6212煤柱工作面提出針對性的空巷加固措施和過空巷安全技術措施，提供了理論支撐。