大采高回采巷道保護(hù)煤柱局部變形特征監(jiān)測(cè)分析

孟 偉

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦，山西 呂梁 033000）

引言

隨著，礦井采掘深度的不斷延伸，地表埋藏較淺的煤層開采殆盡，開采逐步向埋藏較深、圍巖應(yīng)力較大的煤層轉(zhuǎn)移。特別是，開采埋藏深度煤層時(shí)，受圍巖應(yīng)力影響巷道穩(wěn)定性差、變形嚴(yán)重，為保證工作面的安全回采往往采用留設(shè)保護(hù)煤柱的方式 對(duì)巷道進(jìn)行保護(hù)，但是在一定程度上造成煤炭資源嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)留設(shè)煤柱寬度較大時(shí)極易造成應(yīng)力集中，也威脅礦井的安全生產(chǎn)。巷道上覆圍巖在發(fā)生破裂后，仍具有一定的殘余強(qiáng)度，同理，巷道圍巖松動(dòng)破裂也具有一定的承載能力，但這一承載能力遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度值，需對(duì)其進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)的主要目的是提高松動(dòng)圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮加固圍巖的承載能力。巷道圍巖的變形還與抗拉強(qiáng)度、彈性模量和粘結(jié)力等物理力學(xué)參數(shù)有關(guān)。目前，通常采用的支護(hù)技術(shù)措施主要包括：及時(shí)封閉暴露圍巖、錨桿支護(hù)、注漿以及支架壁后充填等?；匮拖锏烂褐鏊笃鋸?qiáng)度表現(xiàn)為衰減速度快，且穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，對(duì)于此類巷道煤柱，不僅要提高圍巖承載能力，而且必須減少水對(duì)煤柱弱化的技術(shù)措施。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)的研究，余偉建[1]等揭示了不同支護(hù)方式下巷道圍巖變形破壞的機(jī)理；孫珍平[2]等人提出了圓形隧道在非均勻應(yīng)力場(chǎng)下的彈塑性解析解；劉新穎[3]等分析了水對(duì)圍巖的破壞和力學(xué)特性的影響；李宗利[4]等發(fā)現(xiàn)巷道考慮滲流場(chǎng)計(jì)算得出的塑性半徑大于不考慮滲透場(chǎng)的半徑。朱維申[5]等分析認(rèn)為流-固耦合作用導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低、變形量增加；針對(duì)滲流作用下巷道圍巖的受力及變形特征，已開展了大量的研究，但對(duì)于其在支護(hù)條件下孔隙水壓力的研究相對(duì)較少，本文以斜溝礦18505 工作面為工程背景，采用多場(chǎng)物理耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL 計(jì)算了回淹巷道煤柱在無支護(hù)與有支護(hù)條件下的孔隙水壓力，分析了煤柱水流動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道保護(hù)煤柱的監(jiān)測(cè)。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省呂梁興縣北50 km 處，礦區(qū)南北長(zhǎng)約22 km，東西寬約3 km～4 km，礦井面積約88.6 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 500 mt/a。18505 工作面位于斜溝礦15 采區(qū)北翼，工作面東側(cè)、南側(cè)為實(shí)煤區(qū)，北側(cè)247.8 m 外是斜溝煤礦井田邊界，西側(cè)為18503 工作面（里段）采空區(qū)。工作面現(xiàn)開采山西組8#煤層，煤厚2.5 m～5.80 m，平均厚度4.35 m，煤層傾角6.6°～9.4°，平均傾角8.2°。

2 保護(hù)煤柱變形監(jiān)測(cè)分析

2.1 煤柱水流動(dòng)特點(diǎn)

利用多場(chǎng)物理耦合數(shù)值模擬軟件COMSOL 計(jì)算了煤柱在無支護(hù)、有支護(hù)條件下巷道開挖時(shí)間、有無疏水孔以及裂隙面對(duì)孔隙水壓力的影響，分析了煤柱水流動(dòng)特點(diǎn)。

2.2 無支護(hù)時(shí)水流動(dòng)及孔隙水壓力變化規(guī)律

2.2.1 煤柱水流動(dòng)規(guī)律

采用COMSOL 軟件模擬計(jì)算了巷道保護(hù)煤柱有無疏水孔的三種狀態(tài)下煤柱水的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析研究。如下頁(yè)圖1 所示為巷道開挖后煤柱的水流動(dòng)規(guī)律，在一定的孔隙水壓力作用下，布置疏水孔與無疏水孔條件下水流動(dòng)規(guī)律存在顯著的差異性，布置疏水孔后煤柱水沿疏水孔流動(dòng)，且流動(dòng)速度和流量均較大；當(dāng)巷道煤柱疏水孔穿過回淹層主裂隙面，煤柱水沿主裂隙面流動(dòng)，通過疏水孔排放，流動(dòng)速度與流量較無疏水孔和有疏水孔條件下明顯增加；因此，科學(xué)的設(shè)置疏水孔技術(shù)參數(shù)，更便于煤柱水的排放。

圖1 巷道開挖后煤柱水流動(dòng)規(guī)律

2.2.2 孔隙水壓力變化規(guī)律

如圖2 所示為回淹巷道煤柱軟弱巖層與回淹煤柱交界處孔隙水壓力隨巷道開挖時(shí)間變化曲線圖，模擬計(jì)算模型左右對(duì)稱，選取模型左半部分，分析其孔隙水壓力的變化規(guī)律。

圖2 煤柱水孔隙水壓力曲線

當(dāng)布置疏水孔時(shí)，孔隙水壓力隨巷道開挖變化速率較快，從巷道中央向邊界減少的變化趨勢(shì)，說明煤柱水流動(dòng)呈現(xiàn)為連續(xù)性的特點(diǎn)。有疏水孔的條件下，孔隙水壓力隨與左邊界距離的增加逐漸減小，在距左邊界30 m～45 m 之間孔隙水壓力變化速率較快。有疏水孔且存在主裂隙面的條件下，孔隙水壓力降低的變化趨勢(shì)大于有疏水孔的條件，且在30 m～50 m之間孔隙水壓力降低為0。無疏水孔的條件下，孔隙水壓力保持不變。從煤柱水流動(dòng)隨時(shí)間的變化規(guī)律云圖可見，有疏水孔、有疏水孔且存在裂隙面的條件下孔隙水壓力隨巷道開挖時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。當(dāng)無疏水孔時(shí)，孔隙水壓力基本不發(fā)生變化。

2.3 支護(hù)作用下煤柱水流動(dòng)特點(diǎn)分析

巷道開挖后，通常需要進(jìn)行人為加固以確保其穩(wěn)定性。在巷道煤柱表面施加均布?jí)毫Γ紫端畨毫ψ兓茍D和曲線，分別如圖3 所示。

圖3 不同支護(hù)阻力作用下孔隙水壓力曲線

為保證煤礦巷道的穩(wěn)定性，其開挖后需支護(hù)加固。在支護(hù)條件下，改變了巷道圍巖的受力狀態(tài)，對(duì)巷道煤柱孔隙水壓力的變化規(guī)律產(chǎn)生一定的影響，但其變化趨勢(shì)沒有發(fā)生變化。巷道開挖90 d 后，在無支護(hù)條件下，數(shù)值模型中部的孔隙水壓力是0.09 MPa，在0.2 MPa 和0.4 MPa 的支護(hù)阻力作用下，其孔隙水壓力增加為0.15 MPa和0.29 MPa，分別為無支護(hù)條件下的1.7 倍和3.2 倍，由此可知，有支護(hù)的條件下，可減緩煤柱水的滲透作用。

有疏水孔的條件下，有利于煤柱水的疏放，而且能夠減少水對(duì)煤柱強(qiáng)度的影響，尤其是有疏水孔且存在裂隙面的條件下，更加利于煤柱水的排放。煤柱水疏放時(shí)，地下水與圍巖相互作用，對(duì)煤柱進(jìn)行支護(hù)，改變其受力條件，可降低水的滲透范圍，減小水對(duì)圍巖的弱化。

3 結(jié)論

1）在無支護(hù)條件下，在保護(hù)煤柱設(shè)置疏水孔時(shí)，巷道掘進(jìn)速度與孔隙水壓力成正比例關(guān)系，掘進(jìn)越快流速越快，從巷道中央向邊界呈現(xiàn)為減少的變化趨勢(shì)；煤柱有疏水孔且存在主裂隙面時(shí)，隨開挖時(shí)間的延長(zhǎng)，主裂隙面以上巖層的孔隙水壓力逐漸降低；在無疏水孔時(shí)，孔隙水壓力的變化較小；

2）在支護(hù)條件下，對(duì)巷道煤柱孔隙水壓力的變化規(guī)律產(chǎn)生了的一定影響，但變化量較小，巷道煤柱施加一定的支護(hù)阻力，可減緩煤柱水的滲透作用；

3）在巷道中布置疏水孔，有利于煤柱水的疏放，可減小水對(duì)煤柱的侵蝕作用，尤其是鉆孔長(zhǎng)度穿透煤柱回淹層主裂隙面時(shí)，更便于保護(hù)煤柱水的引流排放；對(duì)保護(hù)煤柱施加支護(hù)阻力，從而改變巷道圍巖的受力狀態(tài)，降低水對(duì)保護(hù)煤柱的滲透，減小水對(duì)巖石的弱化作用。