迎采巷道采动扰动下合理小煤柱宽度研究

杜梦远

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

沿空掘巷是在毗邻工作面回采后，沿采空区边缘留窄煤柱掘巷，沿空巷道处于侧向支承压力降低区，使巷道处在较为有利的应力环境下。通过留设合理的区段煤柱、采取合理的支护技术可以保证巷道在掘进及本区段工作面回采期间围岩变形较小。另外，相对于沿空留巷，沿空掘巷工艺简单，无需充填体，巷道支护费用低，更利于推广[1-4]。目前，沿空掘巷必须在毗邻工作面回采后且上覆岩层活动基本稳定以后进行，这给工作面顺序采掘带来诸多困难，而迎回采面沿空掘巷可有效缓解接替紧张。但迎回采面沿空掘巷要经历临近工作面全过程动压影响，在巷道服务期间要经历两次采动影响，巷道变形剧烈，维护困难。除了高强度的巷内支护，合理的煤柱宽度也是保证迎采巷道围岩稳定的关键因素[5-7]。本文以王庄煤矿6208工作面运输巷沿空掘巷为背景，建立FLAC计算模型，分析采动扰动下迎采小煤柱巷道围岩应力演化规律，确定窄煤柱的合理宽度。

1 工程背景

王庄煤矿位于长治市郊区故县，现年生产能力可达700万t，属于特大型矿井。3号、4号煤层为全区稳定可采煤层。现主采3号煤层，煤层厚度为6.18～7.44 m，平均厚度6.6 m。煤层伪顶为炭质泥岩，平均厚度 3.5 m；老顶为泥岩、砂质泥岩，平均厚度 4.4 m；直接底为泥岩、砂质泥岩，平均厚度3.1 m；老底为中砂岩，平均厚度2.9 m。6208工作面运输巷一侧为实煤体，另一侧与6207工作面采空区相邻，为了进一步加强6208工作面运输巷的维护情况，采用留设小煤柱护巷的方法。工作面平面布置示意如图1所示。

图1 6208工作面平面布置示意(m)

2 数值模型建立

为了研究不同护巷煤柱宽度情况下6208工作面运输巷围岩内部应力分布规律，利用有限差分软件 FLAC软件建立了数值模拟模型，模型尺寸为长×宽×高= 300 m×4 m×80 m，模型各岩层力学参数依据现场所取岩块经实验室力学实验测试结果，材料力学变形符合“摩尔-库仑”准则。该模型上表面设定为应力边界；同时底边界在垂直方向固定，两侧边界和前后边界水平方向固定。工作面回采巷道模拟断面为宽×高= 4 m×3 m 。数值模型计算过程为：建立数值计算模型—平衡计算—王庄煤矿6207工作面回采计算—6208运输巷掘进—计算结果输出与分析。各岩层的物理力学参数，如表1所示[8]。

3 合理煤柱宽度模拟结果

3.1 不同煤柱宽度条件下巷道围岩的变形规律

煤柱分别为4 m、6 m、8 m、12 m、15 m、30 m宽度时，模拟掘进和回采过程，得到巷道两帮的水平位移云图，如图2。

表1 各岩层物理力学参数

图2 巷道围岩位移云图

从图2可知，当煤柱宽度从4 m变化至30 m时，巷道两帮的位移并不是简单的呈现增大或减小的变化，而是有着一定的变化规律，如图3所示。

图3 巷道两帮变形量

从图3可以看出，煤柱宽度为4 m时虽然巷道也处在侧向采动压力的降低区域内，但因为存在施工中的采动及扰动作用，造成了承载能力的缺失，巷道总的变形要比6 m或8 m宽度的煤柱更为严重；在煤柱宽度为12～15 m的条件下，巷道位于工作面侧向采动应力的峰值区域内，其在水平方向所造成的变形也比6～8 m宽度的煤柱要大，当进一步加大煤柱的宽度，护巷煤柱内的支承压力峰值以及煤柱变形都有相应的降低并最终趋于稳定，但留设过大的煤柱尺寸将不利于煤炭资源的回收与利用；在煤柱尺寸为6～8 m，掘进施工时会因为受采动扰动而承受一定阶段的侧向采动应力峰值作用，但掘进完后，侧向采动应力会长期处于降低区，对巷道的长期稳定有利。

3.2 不同煤柱宽度对两帮垂直应力分布特征的影响

为了进一步确定6208运输巷护巷煤柱的合理宽度，继续采用数值模拟的方法对6～8 m范围内不同宽度煤柱在采动应力的影响下的应力分布规律进行研究。数值模拟实验所采用的煤柱宽度方案分别为6.4 m，6.8 m，7.2 m，7.6 m。在掘进巷道且覆岩稳定后分别监测不同方案中巷道两帮，即煤柱帮与实体煤帮内部的垂直应力分布规律。将不同煤柱宽度方案下的监测数据导出并绘图，如图4、图5所示。

图4 6～8 m 范围内不同煤柱宽度沿空巷道两侧应力分布

图5 6～8 m 范围内不同煤柱宽度垂直应力分布状态

由图4、图5可以看出，煤柱宽度对巷道两帮内的应力分布规律有着非常明显的影响，随煤柱宽度的增加，实体煤帮及窄煤柱内垂直应力的峰值不断增大，但其增大的幅度较小。在煤柱宽度为6.8 m或者7.6 m时，巷道实体煤内的应力峰值距离巷道的距离较6.4 m和7.2 m的煤柱宽度条件下而言要小，由此可以看出在6.8 m和7.6 m煤柱尺寸的条件下，应力峰值距煤帮较近，浅部煤体承载能力增强，巷道围岩较为稳定，有利于巷道整体的维护。

综合以上，为了能够尽量使得护巷煤柱长期处于侧向采动压力的减低区内，并综合考虑工作面侧向采动压力的分布规律、巷道围岩内的应力分布规律以及巷道围岩变形等多种不同情况，最终将护巷煤柱宽度确定取值为7.6 m。

4 工业性试验及效果分析

根据模拟结果，在6208运输巷留设7.6 m护巷煤柱进行施工，为了验证模拟结果的可行性和可靠性，在巷道中布置综合测站以监测巷道在掘进和回采期间的围岩变形。如图6、图7。

图6 掘进期间综合测站点巷道表面变形情况

图7 回采期间综合测站点巷道表面变形情况

从图6可以看出，试验巷道掘进期间，随着监测天数的增长，即随着距掘进迎头的增长，巷道顶底板移近量最大值为125 mm左右，两帮移近量为238 mm左右，巷道变形量在预计范围内，巷道围岩变形趋于稳定。

从图7中可以看出，在6208工作面回采期间，最终顶底板移近量，即最后观测距离工作面5 m时，为325 mm 左右，最终两帮移近量485 mm 左右，巷道可以满足回采期间的使用要求。

5 结 语

1) 本文通过应力场分布和巷道表面位移2种因素，采用数值模拟方法分析迎采动工作面沿空掘巷合理煤柱宽度，最终确定王庄矿迎采动工作面沿空掘巷合理煤柱宽度为7.6 m。

2) 煤柱宽度对巷道两帮内的应力分布规律有着非常明显的影响，在7.6 m煤柱尺寸的条件下，应力峰值距煤帮较近，浅部煤体承载能力增强，巷道围岩较为稳定。

3) 工业性试验表明采用7.6 m小煤柱，保证了煤柱的承载能力，满足了巷道围岩变形要求，具有较好的技术效果。