黄陵二号煤矿北二大巷群双翼采动围岩变形破坏及煤柱留设

郭超奇

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 黄陵 727307)

0 引言

黄陵二号煤矿北二四条大巷，自建井以来，一直采用建井时的支护方式。2013年6月份以后，由于受双翼采动影响，围岩受到了不同程度的破坏，已无法有效控制围岩变形。为实现安全高效开采，必须研究北二大巷群双翼采动围岩变形情况，重新进行支护设计，为类似巷道支护提供一定的理论参考和技术支撑。

1 北二大巷群围岩破坏机理分析

1.1 北二大巷群围岩变形破坏情况

北二2号辅运大巷未受采动影响处顶板基本完整，局部区域出现网兜，随工作面回采，出现剪切变形甚至台阶破坏。

北二2号辅运大巷受采动影响处底鼓明显，底鼓后混凝土路面沿巷道中线裂开，已经影响巷道车辆通行。

北二胶带大巷顶板下沉，两帮内移，底鼓严重，在4条大巷中两帮内移最大。

预留顶煤掘进巷道围岩裂隙发育明显增大，经松动圈测试，顶板留顶煤掘进时顶板松动圈范围3.5 m，未留顶煤掘进时顶板松动圈范围3 m。

1.2 北二大巷群围岩变形破坏原因

岩性：巷道围岩是由不同岩性的顶、底板和两帮组成的一个复合结构。巷道围岩复合结构中各部分的强度、受力特征等力学特性是各有差异的，其中软弱岩层或煤岩柱称为软弱结构体。软弱结构体巷道围岩强度较低，易于破坏。软弱结构体与围岩的强度差异越大，巷道围岩越容易发生非稳定性破坏。根据黄陵二号煤矿地质资料，主采煤层顶板为薄层状泥岩，砂质泥岩、粉砂岩以及中、细砂岩，底板为泥岩、粉砂岩夹灰白色细砂岩薄层。而砂岩的软化系数普遍在0.75～0.97，属于弱软化性岩石，而泥岩的软化性系数在0.10～0.50，属于强软化性岩石。从岩石成分方面分析，对巷道稳定性影响最为严重的是泥岩和含有泥岩成分的砂岩。

地应力：根据国内外学者建立的深部工程概念，假设覆岩的容重为25 kN/m3，则硬岩发生软化的临界深度为500 m，因此将>500 m深度范围的地下工程称为深部工程，把<500 m范围的地下工程称为浅部工程。黄陵二号井四盘区大巷埋深为520 m左右，根据上述深部工程的定义，黄陵二号井四盘区大巷开采已经属于深部工程。以采深520 m计算，四盘区的垂直应力13.011 MPa，最大水平应力20.024 MPa，水平应力大于垂直应力，属于高水平应力主导的应力环境，导致巷道顶底的破坏力较大。

工程软岩性：目前对软岩的明确定义尚不统一，定义有地质软岩和工程软岩2种。地质软岩指单轴抗压强度介于0.5～25 MPa之间的岩石，深部工程软岩指在工程力作用下能产生显著塑性变形的单轴抗压强度大于25 MPa的工程岩体。因此四盘区巷道围岩表现出显著的塑性变形，属于水平应力主导的深部工程软岩。

采动影响：随着采煤工作面回采，受超前支承应力影响，北二2号辅运大巷及胶带大巷的围岩应力也将随之改变。从工作面采动影响开始至工作面支架回撤后，上覆岩层稳定，北二2号辅运大巷及胶带大巷的围岩应力环境将持续改变，如图1所示。随着工作面的持续推进，北二2号辅运大巷及胶带大巷上方支承压力持续增加，巷道围岩应力进入动态变化过程，巷道围岩压力经历了“原始应力-应力增加-应力降低-应力稳定”的动态过程。从北二2号辅运大巷及胶带大巷的围岩变形规律可以看出，现有的支护方式无法有效抵御工作面超前支承压力对巷道的破坏。因此，需对巷道围岩进行支护加固，确保巷道能够有效抵御工作面超前支承压力对巷道的破坏。

a-采动影响前；b-采动影响时；c-采动影响后，压力稳定图1 大巷与超前支承压力关系

2 北二大巷群采动影响及煤柱留设模拟分析

2.1 单翼开采采动影响分析

建立模型：为分析414工作面向北二大巷推进过程中煤柱受力变形破坏特征(特别是其上覆岩层的运动破坏规律)以及煤柱超前支承压力的显现规律，采用Mohr-Coulomb材料建立模型，采空区采用null单元模拟。模型高度取100 m，宽度取300 m，长度取400 m。巷道模拟计算所涉及到的围岩岩层，均在巷道现场取样。模型底部设置为竖直方向，左侧、右侧和前、后部设置为法向约束边界，模型上部岩层对模型边界的作用近似视为均布荷载q，即上覆岩层自重ρgH。显然，q的选取与覆岩厚度H有关，模型埋深约520 m。模型建立后，进行分步计算开挖，采空区顶板随采随冒，对采空区冒落的直接顶岩石采用相似材料进行充填模拟。从工作面与北二大巷400 m处开挖，每隔1 m布置1个监测点，监测记录工作面超前支承压力，同时记录在工作面回采过程中，北二大巷围岩最大垂直应力，水平位移及垂直位移随工作面向前推进时的变化情况。数值计算模型如图2所示。

图2 数值计算模型图

单翼开采模拟结果分析：在工作面附近形成了支承压力集中区域，最大集中应力距离工作面煤壁约32.3 m，最大支承压力为28.62 MPa(应力增高系数约为2.2)。工作面前方约74.6 m范围为支承压力剧烈影响区域，此区域伴随着顶板的剧烈下沉，煤体剧烈压裂压胀破坏，附近巷道的变形强烈，支承压力在此区域内剧烈变化。在工作面前方约202 m范围为工作面回采影响区域，支承压力逐渐由前方32.3 m处最大集中应力降低到前方202 m外的接近原岩应力状态的区域。可见，工作面回采对前方煤柱影响区域最远距离约为202 m。因此，工作面合理留设的保护煤柱应为202 m，即合理的停采线位置应距离北二大巷约202 m。图3为北二大巷最大垂直应力系数随煤柱宽度变化曲线。

图3 北二大巷最大垂直应力系数随煤柱宽度变化曲线

2.2 双翼开采采动影响分析

建立模型：数值计算模型图如图4所示。

图4 数值计算模型图

双翼开采模拟结果分析：414工作面回采结束待上覆岩层稳定后进行双翼开采，当409工作面向北二大巷方向正常回采时，图5所示的超前支承压力显现曲线将随着409工作面的推移同步向前移动。从图中可以看出，414工作面停采线煤柱附近形成了支承压力集中区域，最大集中应力距离414工作面停采线约34.1 m，最大支承压力为31.34 MPa(应力增高系数约为2.4)。414工作面停采线前方约75.9 m范围为支承压力剧烈影响区域，此区域伴随着顶板的剧烈下沉，煤体剧烈压裂压胀破坏，附近巷道的变形强烈，支承压力在此区域内剧烈变化。支承压力逐渐由414工作面停采线前方34.1 m处最大集中应力降低到前方205 m外的接近原岩应力状态的区域。因此，414工作面合理留设的保护煤柱应为205 m，即414工作面合理的停采线位置应距离北二大巷约205 m。

煤柱尺寸对北二大巷变形影响：当L=207 m时，414工作面停采线煤柱处最大垂直应力13.53 MPa，为原始最大垂直应力的1.04倍，最大垂直位移为153 mm，最大水平位移为102 mm，北二大巷变形量小；当L=200 m时，414工作面停采线煤柱处最大垂直应力14.44 MPa，为原始最大应力的1.11倍，刚超过原始最大垂直应力1.1倍，最大垂直位移为181 mm，最大水平位移为137 mm，北二大巷变形量小；当L=190 m时，414工作面停采线煤柱处最大垂直应力17.30 MPa，为原始最大应力的1.33倍，超过原始最大垂直应力1.1倍，最大垂直位移为312 mm，最大水平位移为208 mm，北二大巷变形量较大。因此，414工作面合理的停采线位置应介于200～205 m之间，在此取205 m。

a-L=250 m垂直应力云图；b-L=200 m垂直应力云图；c-L=150m垂直应力云图图5 垂直应力变化图

3 结语

根据数值模拟双翼开采414工作面停采线煤柱支承压力显现特征，414工作面停采线前方约205 m范围为工作面采动影响区域；当L=200 m时，北二大巷采动垂直应力系数恰好超过1.1倍，并随着距离的减小，应力系数急剧增高，表现出对北二大巷的强烈影响。因此合理的停采线位置应介于200～205 m之间，取205 m，最后提出了工作面合理的停采线位置。

综合考虑，北二大巷群受水平应力影响大，巷道掘进初期便出现顶板变形，随着工作面的持续推进，大巷上方支承压力持续增加，巷道围岩应力进入动态变化过程，巷道围岩压力经历了“原始应力-应力增加-应力降低-应力稳定”的动态过程，巷道顶板出现明显剪切变形。因此，巷道围岩进行支护加固已迫在眉睫，以确保能够有效抵御工作面超前支承压力对巷道的破坏。