沿空掘巷工作面围岩变形规律研究

2019-09-25王炳方

山西化工 2019年4期

王炳方

（汾西矿业水峪煤矿，山西孝义 032300）

引言

为了避免相邻工作面之间已采工作面采空区侧向支承压力对未采工作面影响，需要在相邻工作面之间设置一定宽度的煤柱，不仅造成资源的浪费，而且煤柱会对近距离开采的煤层产生较大的影响。沿空掘巷是一种窄煤柱护巷的技术，其是当工作面回采完毕采空区趋于稳定时，沿着采空区掘进下一回采工作面的巷道［1－4］。沿空掘巷既节约了煤炭资源，又会使掘进巷道处于应力降低区内，降低高集中应力对巷道围岩变形的影响，减小支护难度。本文以某矿工作面为研究对象，分析了沿空掘巷工作面围岩变形规律，为该工作面的巷道围岩支护提供理论依据。

1 工作面概况

1505工作面位于某矿五采区，工作面北部为已回采完毕1503工作面，东部为五采区集中皮带巷和轨道巷，西部为已经回采完毕的1501工作面。地面标高＋43.2m～＋44.8m左右，井下标高－705m～－850m左右，埋深约750m～900m左右，表土层厚度为580m左右。煤层厚度约2.0m～4.5m，平均厚度3.5m，煤层赋存稳定，煤层倾角为6°～10°。f＝1.7左右。为了避免资源的浪费，减小护巷煤柱的大小，1505工作面沿着已回采完毕的1503工作面掘进胶带运输巷。1505工作面位置示意图见图1。

图1 1505工作面位置示意图

2 沿空巷道上覆岩层结构

沿空掘巷由于相邻两工作面之间煤柱小，其上覆岩层结构与大煤柱巷道掘进不同，主要表现为靠近采空区一侧巷道煤体受到采空区侧向支承压力的影响，由弹性状态转化为塑性状态，其承载能力降低，处于不稳定状态［5］。在外界扰动下，工作面上覆岩层直接顶垮落，直接顶沿断裂线整体切断垮落，而不存在岩层的纵向离层运动，直到垮落的岩石充满整个采空区空间时，上覆岩层运动停止，其上覆岩层运动示意图如第73页图2所示。

3 沿空巷道侧向支承压力分布规律

沿空巷道受到已采空工作面侧向支承压力和本工作面超前支承压力的影响，而采空区侧向支承压力影响的大小取决于沿空掘巷所留煤柱的大小。随着工作面向前推进，靠近采空区一侧巷道围岩应力升高形成应力集中区，当高集中应力超过边缘煤体所能承载的极限时，巷道围岩由弹性状态转化为塑性状态，围岩发生变形破坏。侧向支承压力向煤体深部转移，在外界扰动的影响下，巷道顶板在工作面两侧发生断裂破坏，形成内、外两个应力场，其应力分布示意图如图3所示。图3中，1为内应力场曲线，2为外应力场曲线。内应力场处于顶板断裂线与煤体边缘之间，其应力值较小；外应力场处于断裂线外侧，在断裂线附近应力升高，形成应力升高区，应力向深部转移，垮落岩石逐渐充满采空区空间，巷道围岩趋于稳定，应力值逐渐减小，最后稳定在原岩应力值大小。

图2 沿空掘巷上覆岩层运动示意图

图3 工作面侧向支承应力示意图

4 煤柱尺寸对岩空巷道围岩稳定性分析

4.1 模拟方案

沿空掘巷煤柱的尺寸决定巷道围岩的稳定性，合理煤柱尺寸有利于沿空巷道的掘进安全。煤柱的尺寸过大会造成资源浪费，而煤柱尺寸较小也会影响巷道围岩的稳定性，因此，需要对沿空巷道窄煤柱合理尺寸进行研究。采用FLAC3D数值模拟软件对1505工作面沿空巷道不同尺寸大小巷道围岩变形破坏情况进行分析，得到工作面沿空巷道合理煤柱尺寸。根据1505工作面岩层性质设定模型参数，建立50m×50m×40m模型，模型上方施加20MPa应力荷载，模拟三种情况的垂直位移、水平位移和塑性区范围图。其中，材料参数如表1所示。