孤岛煤柱沿空掘巷围岩稳定与控制技术研究

张有乾 周 健 王 琦 孙玉亮

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

孤岛煤柱沿空掘巷围岩稳定与控制技术研究

张有乾1,2周 健1,2王 琦1,2孙玉亮1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

孤岛煤柱结构特殊，在孤岛煤柱中掘巷，巷道应力集中程度高，围岩完整性差，围岩控制非常困难。本研究提出了孤岛煤柱沿空掘巷模型，以某矿为例，孤岛煤柱将完全处于塑性区和破碎区，整个煤柱不会存在弹性核区。通过PFC2D颗粒流模拟软件模拟，得出整个煤柱可分为裂隙区和破碎区，巷道两侧破碎区范围在2.5 m左右，锚固范围需超出破碎区范围，因而需要帮锚索支护进行围岩控制，得出支护阻力和裂隙发育相互关系，分析认为，相比无支护一定的支护阻力对控制裂隙发育作用明显，但支护阻力到达一定数值后，增加支护阻力对进一步控制裂隙发育作用不大。通过现场观测，对比有无锚索不同支护条件下围岩变形情况，得出帮部布置锚索时，可以明显降低围岩变形速度10～15 mm /d，有效控制锚固范围内围岩的变形，保证巷道正常使用。

孤岛煤柱 塑性区 破碎区 PFC2D数值模拟

区段煤柱用于隔离采空区和维护巷道，由于煤柱遭到采动压力的影响作用，区段煤柱内应力集中，常常使得沿采空一侧掘进巷道破坏规律异常复杂。国内外关于在区段煤柱内双侧沿空掘巷的研究尚少，所探讨的沿空掘巷多是单侧沿空巷道，如中国矿业大学李学华[1-2]提出“大小结构”理论，柏建彪[3-4]提出弧形三角板理论，合理的分析解释了沿空掘巷围岩结构和运动规律，对双侧沿空巷道涉及不多。

沿空掘巷支护设计过程中，要充分考虑煤柱留设尺寸，顶板煤体稳定性等多种因素，还需分析侧向弧形三角块结构的回转对顶板造成的影响，因而支护难度较大[5-7]。而孤岛双侧沿空巷道应力集中程度高，围岩完整性差，对支护方案提出了更高的要求。本研究将对双侧沿空巷道特殊结构、围岩裂隙发育情况和支护措施进行探讨。

本研究以某矿为例进行探讨，某煤矿330采区接续工作面距离井底车场距离增加，巷道通风阻力增加、风量损失大，原有巷道断面及通风能力已难以满足后续生产需求，故决定在1301面、1301下面2个工作面中间的20 m煤柱中新掘进330采区辅助回风巷，以满足采区工作面的通风需求。

1 孤岛沿空掘巷模型分析

在孤岛煤柱中掘巷位置选取时，由于煤柱高应力作用下裂隙高度发育，基于防漏风、防水、防瓦斯涌入的考虑，将巷道放在煤柱中央，如图1。

图1 孤岛煤柱模型

为简化模型分析，认为巷道周边水平应力和垂直应力均匀分布，进行巷道围岩破碎情况的分析，如图2。

图2 围岩变形区域划分

巷道塑性区半径可以通过下式分别求得[8]:

(1)

式中，R为塑性区半径；a为巷道半径；Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ)，其中φ为岩体的内摩擦角；P0为原岩应力；σc为岩体的单轴抗压强度；β=(tanθ0)/E，其中θ0为软化角；E为岩体弹性模量；

(2)

式中，Rp为破碎区半径。

塑性区、破碎区半径和支护阻力的关系见图3。

图3 塑性区、破碎区半径和支护阻力的关系

结合以上求得的巷道塑性区和破碎区的半径，实际上由于孤岛煤柱应力集中现象的存在，注意到孤岛煤柱本身宽度多在30 m左右，所以一般情况下整个煤柱不会存在弹性核区，而完全处于塑性区和破碎区当中。

破碎区半径Rp由式(1)、式(2)求出，巷道周围的破碎区范围大于2 m，因而在实际孤岛煤柱中沿空掘巷位置的选取时，如果选择沿一侧采空区留3～5 m窄煤柱护巷，在孤岛煤柱巷道和回采巷道的共同影响下，窄煤柱将完全处于破碎状态，考虑到孤岛煤柱应力集中，在高应力下如果巷道一帮完全处于破碎区，变形将很难控制。因为在孤岛煤柱掘巷，巷道位置选取时，尽量选在中部，使两侧有一定的塑性区，为锚杆、锚索支护提供着力点，进一步验证了将巷道放置于区段煤柱中央的正确性。

2 数值计算

2.1 数值模型设计

为研究孤岛煤柱沿空掘巷破碎带和裂隙带的发育情况，借助目前颗粒流离散元软件PFC2D对裂隙发育和分布特征进行模拟研究。模型走向长20 m，垂直高度为20 m，分布28 768个颗粒．颗粒半径为7 cm，颗粒连接采用平行连接，模型四周端为施加载荷为20 MPa的自由面，模型侧压系数为1，其颗粒物理量如表1。

数值计算模型模拟如图4。

2.2 模拟结果分析

表1 颗粒物理量参数

图4 数值计算模型

未开挖巷道前，对煤柱中破碎区进行模拟，模拟效果如图5。

图5 煤柱裂隙分布

由图5可知煤柱破碎区主要集中在两侧靠近采空区部分，模型稳定后破碎范围在2～4 m左右，煤柱中间存在非破坏区，为孤岛煤柱掘巷提供有利条件，若煤柱全部破碎，则在煤柱中掘巷后很难有有效的支护手段控制围岩变形。

图6 支护阻力为0.5 MPa条件下裂隙发育

对巷道掘后围岩裂隙发育、破碎情况进行模拟，效果如图6，由于两帮煤柱中应力高，煤体硬度相对较低，两帮煤层中裂隙高度发育。其中靠近巷道侧破碎区范围2.5 m左右，采空区侧破碎区 3～4 m左右。相比破碎区，裂隙发育区可锚性较好，锚杆应选用大于2.5 m的长锚杆，由于整个煤柱均有即均为塑性区或破碎区，为控制深部围岩流变，应布置帮部锚索加强支护。

为模拟不同支护阻力下，巷道围岩裂隙发育情况[9]，分别对巷道无支护和平均支护阻力为0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa进行模拟。

模拟结果表明：

(1)无支护情况下，巷道周围裂隙发育呈现随时间直线增长的趋势，而有巷道内进行支护后，裂隙发育到一定阶段会逐渐趋于缓和，分析认为高强锚杆和锚索的锚固增强作用增大了岩体的峰值强度和峰后强度，并且使围岩由单向或二向应力状态转变为三向应力状态，从而抑制了围岩沿滑移面的剪切破裂和碎胀扩容，进而限制了围岩的张开变形[10]。

(2)支护阻力越大，同一时间阶段裂隙发育相对较少且更容易趋于稳定，但当支护阻力超过1.5 MPa后，支护阻力的增加对裂隙发育的控制效果逐渐减弱。

3 不同支护方式下现场效果分析

前期支护方案帮部无锚索，后期帮部增加锚索布置。对330辅助回风巷内各表面位移观测测站的巷道围岩变形量进行了观测分析，得出各测点围岩变形量，并且分析得出帮部不同支护条件下，两帮移近速度和距掘进工作面距离之间的关系，见图7。

图7 两帮移近速度和距掘进工作面距离关系

由图7可以得出：

(1)帮部进行锚索支护比无锚索支护的巷道在距掘进工作面相同距离时变形速度小10～15 mm/d，可见锚索支护对两帮变形的控制效果是明显的。分析认为锚索控制围岩范围大，有效控制锚固范围内围岩的变形，减少帮部围岩内离层的产生，从而减少两帮移近速度。

(2)帮部打1路锚索和帮部打2路锚索相比较，在控制巷道两帮变形上差距不大。但第2路锚索能很好的控制巷道帮部下部的变形，使巷道整体维护较好。

4 结 论

(1)由于孤岛煤柱应力集中现象的存在,注意到孤岛煤柱本身宽度多在30 m以下。所以一般情况下整个煤柱不会存在弹性核区，而完全处于塑性区和破碎区当中。

(2)通过PFC2D模拟，认为整个煤柱可分为裂隙区和破碎区，巷道两侧破碎区范围在2.5 m左右，锚杆长度需超出破碎区范围，且需要锚索支护控制锚杆锚固范围外围岩的变形；相比无支护，一定的支护阻力对控制裂隙发育作用明显，但支护阻力到达一定数值后，增加支护阻力对进一步控制裂隙发育作用不大。

(3)认为巷道支护过程中，锚索控制范围要超出破碎区的范围，通过现场观测，帮部进行锚索支护比无锚索支护的巷道在距掘进面相同距离时变形速度小10～15 mm /d，验证了假设的正确性。

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(责任编辑 石海林)

Surrounding Rock Stability of the Roadway Driving Along Gob and its Corresponding Control Technology

Zhang Youqian1,2Zhou Jian1,2Wang Qi1,2Sun Yuliang1,2

(1.SchoolofMines，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221008，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandMineSafety，Xuzhou221008，China)

Due to the unique structure of isolated coal pillar，there are many problems in roadway driving among isolated coal pillar，such as high concentration of stress，low integrity of surrounding rock，and tough job in controlling the surrounding rocks.The model of the roadway driving along the gob is put forwards.Taking a mine as a case，the isolated coal pillar totally lies in the broken zone and plastic zone.There is no elastic zone for the pillar.Through PFC2D partide flow code simulation，it is obtained that the whole pillar can be divided into failure zone and plastic zone.The range of failure zone on both sides of roadway is about 2.5 m.Anchorage zone needs to be beyond failure zone.Thus，rib cable is needed to control surrounding rock.The relationship between supporting resistance and fissure development is obtained.It suggests that compared with no support，a certain support can control the development of fissure effectively.Nevertheless，when support resistance reaches specific value，increasing support resistance has little effect on controlling fissure development.Through field monitoring and comparison of the surrounding rock deformations under the condition of different support patterns with support or not，it is obtained that layout of the rib cables at walls will significantly reduce the deformation rate of surrounding rocks by 10 mm/d to 15 mm/d，which can effectively control the deformation of surrounding rocks and make sure the normal service of roadway.

Isolated pillar，Plastic zone，Broken zone，PFC2D numerical simulation

2014-05-06

中央高校基本科研业务费专项项目(编号：2013DXS02)。

张有乾(1991—)，男，硕士研究生。

TD322

A

1001-1250(2014)-08-049-04