小煤柱開采沿空掘巷圍巖穩定性研究

栗 東，李亞超

(1.晉能控股煤業集團 山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046013；2.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

常規護巷煤柱寬度多為20～30 m，大采深礦區護巷煤柱寬度達到40～60 m，大大降低了煤炭采出率，造成了煤炭資源的浪費[1-2]。因此，目前無煤柱或小煤柱技術得到了廣泛的推廣，但小煤柱沿空掘巷仍然存在諸多技術難題需要攻克[3-4]。

大量學者在小煤柱沿空掘巷方面開展了研究工作，張百勝等[5]采用FLAC3D數值模擬和巷道變形現場實測，對潞安集團阜生煤礦6 m大采高留小煤柱切頂卸壓沿空掘巷機理與圍巖控制進行了研究；畢慧杰等[6]采用深孔爆破的方法對小煤柱巷道頂板進行預卸壓，有效降低了頂板下沉量，小煤柱巷道圍巖得到了有效控制；任帥等[7]利用UDEC軟件模擬分析了注漿加固后不同煤柱寬度情況的損傷程度，提出了煤柱承載分尺寸分區分級特征；閆捷[8]提出了同忻煤礦5307巷煤柱側臨空硐室注漿加固治理方法，有效實現了小煤柱工作面的成功開采。綜上所述，切頂和注漿加固可以有效保證沿空掘巷圍巖的穩定。目前，水力壓裂技術在瓦斯治理和初采初放中得到了廣泛應用。現有研究表明，水力壓裂技術與爆破技術具有相近的應用效果[9-10]，但在切頂卸壓中的應用仍然較少。因此，本文以三元煤業4306工作面回風巷道沿空掘巷為背景，建立了FLAC數值計算模型，對比分析了留設5 m小煤柱時采用切頂注漿、不切頂注漿和不切頂不注漿3種情況下，4306回風巷道的變形規律。

1 工程概況

山西三元煤業股份有限公司隸屬于晉能控股煤業集團。礦井核定生產能力260萬t/a。井田面積19.8 km2，批準開3號、9號、14號、15號煤層，煤層賦存條件良好，煤層傾角0～10°，現開采3號煤層。4302和4306工作面位于四采區(如圖1所示)，4306工作面位于4302工作面南部，小煤柱試驗區位于4302回風巷道和4306回風巷道之間，小煤柱留設寬度為5 m.

圖1 工程概況

1.1 巷道支護與小煤柱注漿設計

4306回風巷道支護設計如圖2所示，共布置14根D22 mm×2 400 mm錨桿，左側(小煤柱側)布置注漿錨索(2根D18.9 mm×4 300 mm注漿錨索，1根D18.9 mm×5 300 mm注漿錨索)，頂部布置3根D18.9 mm×9 300 mm錨索，靠近小煤柱側的1根為抗彎剪錨索，右側布置1根D18.9 mm×4 300 mm錨索。

圖2 巷道支護設計(mm)

1.2 水力壓裂切頂設計

水力壓裂切頂鉆孔設計如圖3所示，鉆孔需要打入老頂中，開孔位置距巷道頂角1.3 m，與頂板夾角為70°，與巷道走向的夾角為47.4°，孔深21.6 m，鉆孔直徑為56 mm，每間隔7 m布置1個鉆孔，共布置鉆孔156個。采用倒退式鉆孔壓裂方法，即從鉆孔底部開槽處向孔口依次進行壓裂，第一次壓裂位置距離孔底1.3 m，以后每倒退2.2 m壓裂1次，共壓裂4次，壓裂層位為孔深11.5～21.6 m.

圖3 水力壓裂鉆孔設計

2 數值計算模型的建立

根據上述工程情況，采用FLAC建立三元煤業小煤柱沿空回風巷道變形分析數值模擬模型，如圖4所示。.

圖4 三元煤業小煤柱沿空回風巷道變形分析數值模擬模型

模型長×寬×高=200 m×30 m×50.6 m.模型邊界條件設定為底面固定，四周法向位移約束，頂面施加上覆巖重8.38 MPa.巖石本構模型采用摩爾庫侖模型，設其參數如表1所示。巷道支護結構中金屬網采用shell單元進行模擬，設其彈性模量和泊松比分別為3.0 GPa和0.3，錨桿和錨索則采用cable單元進行模擬，設其彈性模量和泊松比分別為212 GPa和0.28.

表1 回風巷道周邊不同巖層的物理力學參數

另外，為對比分析4302工作面開采過程中不同回風巷道煤柱留設方案對4306回風巷道圍巖穩定性的影響，本文設計以下兩種數值模擬方案：

1) 方案1：小煤柱注漿切頂(實際方案)。對回風巷道煤柱進行注漿加固，并在4302工作面開采前對4302回風巷道上方關鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

2) 方案2：小煤柱注漿不切頂。對回風巷道煤柱進行注漿加固，但不在4302工作面開采前對4302回風巷道上方關鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

3) 方案3：小煤柱切頂不注漿。對回風巷道煤柱不進行注漿加固，但在4302工作面開采前對4302回風巷道上方關鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

4) 方案4：小煤柱不切頂不注漿。對回風巷道煤柱不進行注漿，也不在4302工作面開采前對4302回風巷道上方關鍵層進行水力壓裂切頂卸壓。

3 小煤柱沿空巷道變形破壞特征研究

3.1 豎向位移特征

4302工作面開采后，不同方案下4306回風巷道圍巖的豎向位移分布如圖5所示。可以看出，受4302采空區采動影響，煤柱注漿切頂條件下，4306回風巷道最大沉降值出現在頂板表面中心偏靠煤柱的位置，其值約為144 mm.此時，其頂底板移近量約為160 mm，滿足使用的要求。煤柱注漿不切頂條件下，4306回風巷道最大沉降值出現在頂板表面靠近煤柱的位置，其值約為210 mm，此時，其頂底板移近量約為240 mm，比注漿切頂條件下增加了33%.煤柱切頂不注漿條件下，4306回風巷道最大沉降值出現在頂板表面靠近實體幫的位置，其值約為400 mm，此時，其頂底板移近量約為450 mm，比注漿切頂條件下增加了181%.煤柱不切頂不注漿條件下，4306回風巷道最大沉降值出現在頂板表面靠近實體幫的位置，其值約為480 mm，此時，其頂底板移近量約為535 mm，比注漿切頂條件下增加了234%.可見，對沿空巷道小煤柱進行注漿切頂能夠很好地控制沿空巷道的頂底板位移，保證沿空巷道的正常使用。

圖5 不同方案下沿空巷道的豎向位移分布圖(mm)

3.2 水平位移特征

4302工作面開采后，不同煤柱留設方案下4306回風巷道圍巖的水平位移分布如圖6所示。

圖6 不同方案下沿空巷道的水平位移分布圖

由圖可知，4302工作面開采后，煤柱注漿切頂條件下4306回風巷道實體幫以及煤柱幫的最大水平位移均出現在兩幫表面中心位置，均為120 mm左右，滿足正常使用的要求。而煤柱注漿不切頂條件下，4306回風巷道實體幫最大水平位移保持120 mm基本不變，而煤柱幫最大水平位移則增長至300 mm，比注漿切頂條件下增加了150%.煤柱切頂不注漿條件下，4306回風巷道實體幫以及煤柱幫最大水平位移分別增長至600 mm和300 mm，且其出現位置相對靠下，嚴重影響了沿空巷道的使用安全。煤柱不切頂不注漿條件下，4306回風巷道實體幫以及煤柱幫最大水平位移分別增長至720 mm和360 mm，比注漿切頂條件下增加了200%～500%.因此，對沿空巷道留設窄煤柱時，必須對窄煤柱進行注漿加固，必要的情況下還需對采空區頂板進行卸壓處理，否則會導致沿空巷道兩幫(尤其是煤柱幫)因水平位移過大而失穩破壞。

3.3 圍巖破壞特征

4302工作面開采后，不同方案下4306回風巷道圍巖的塑性區分布見圖7(紅色表示塑性屈服)。

圖7 不同方案下沿空巷道的塑性區分布圖

4302工作面開采后，煤柱注漿切頂條件下4306回風巷道圍巖在頂板、底板、實體幫的塑性區破壞深度分別為3.0 m、1.0 m以及3.0 m，在煤柱幫的塑性區則與4302回風巷道連通導致整個窄煤柱都發生了屈服，但由于對窄煤柱進行了注漿加固以及切頂卸壓處理，因此，整個窄煤柱破壞程度相對較輕，仍保留有較高的承載能力，較為穩定。煤柱注漿不切頂條件下，4306回風巷道圍巖的塑性區分布范圍與注漿切頂條件下相當，但此時，由于4302采空區頂板不再沿著水力壓裂薄弱面發生垮落，而是沿著4302回風巷道邊界面整體切落，這將導致窄煤柱上方大范圍巖體仍直接作用于窄煤柱上，不利于窄煤柱的安全。煤柱切頂不注漿條件下，雖然水力壓裂切頂降低了作用在窄煤柱上方的壓力，但由于不注漿條件下窄煤柱本身承載力十分有限，因此在采空區集中應力作用下窄煤柱破壞程度反而更大，其殘余承載力也最低。不注漿不切頂條件下，預留窄煤柱不僅會發生整體屈服破壞，而且4306巷道頂板圍巖塑性區還將與采空區塑性區大面積相連，導致沿空巷道凈空間嚴重縮小而不再滿足使用要求。

4 結 語

本文針對三元煤業小煤柱沿空巷道穩定性情況，利用FLAC數值模擬軟件，模擬分析了4種不同方案下小煤柱沿空掘巷巷道的變形破壞規律，主要結論如下：

1) 切頂注漿、注漿不切頂、切頂不注漿以及不切頂不注漿4種方案下，4306回風巷道頂底板最大移近量分別為160 mm、240 mm、450 mm和535 mm.

2) 切頂注漿、注漿不切頂、切頂不注漿以及不切頂不注漿4種方案下，4306回風巷道煤柱幫和實體幫的最大水平位移分別為120 mm和120 mm、300 mm和120 mm、600 mm和300 mm、720 mm和360 mm.

3) 切頂注漿可以有效降低4306回風巷道的變形，在此情況下，巷道頂板、底板、實體幫圍巖的塑性區破壞深度分別為3.0 m、1.0 m以及3.0 m.