空巷影响下的煤柱综放面围岩活动规律模拟分析

李思佯

（潞安环能股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046031）

王庄煤矿采用的长壁综采工艺，留存了相当数量的残留护巷煤柱，这些煤柱总体上赋存较稳定，煤层顶底板条件较好，煤层厚度较大，具有很高的开采价值。随着矿井资源的逐渐枯竭，煤柱开采成为必要选项。然而，煤柱附近都为采空区，原有设计工作面回采后的运输、回风等残留空巷，造成空巷围岩压力集聚，使煤柱工作面面临的空顶面积明显增大，极易造成冒顶、垮落，工作面两巷围岩变形更加剧烈。为了确保煤柱工作面的正常回采，必须充分认识工作面过空巷的围岩活动规律，以便采取合理的围岩预加固方法和安全技术措施。本文以王庄煤矿6212工作面为例，对工作面围岩活动规律进行分析。

1 工程概况

6212煤柱工作面东北为6210与6209已采工作面，西北为实体煤，东南为6208在采工作面，西南接630/3皮带巷。3号煤层厚度稳定，均厚6.9m，煤层底板标高622～634m，煤层倾角1°～4°。回采过程中会遇到很多空巷，见图1。从空巷所处层位来看，有的空巷与工作面两巷一样，沿3号煤层底板掘进，如62上山皮带巷、62上皮水仓、6209风巷；剩余的空巷基本上都是沿3号煤层顶板掘进，主要包括采区回风、配风巷道、740水平回风巷道等。空巷与6212煤柱工作面交错分布，夹角呈现29°～90°不等。

图1 6212工作面内空巷分布图

2 数值模拟模型的建立

为了揭示在空巷影响下6212煤柱综放工作面围岩活动规律，基于FLAC3D数值模拟软件，根据王庄煤矿6212工作面实际工程地质条件，构建了相似数值模拟模型，见图2、图3。6212工作面及6208采空区各取100m，区段窄煤柱按5m取，模型中6212工作面共存在5条空巷，空巷在6212工作面分布位置如图3所示。模型尺寸长×宽×高为270m×270m×22.5m，Y方向为工作面回采方向。模型的边界条件为：根据工作面标高和地面标高计算平均埋深约为377m，上覆岩层容重按25kN/m3考虑计算，因此在模型上部边界施加9.4MPa的垂直应力，以便固定模型边界位移量，构建力学本构模型。根据工作面5条空巷赋存位置的不同可分为顶煤空巷和底煤空巷。针对顶煤空巷和底煤空巷分别进行分析，主要包括总工作面顶、底板斜交空巷，回采遇见空巷交叉点等过程中，空巷围岩的应力变化情况。工作面每推进一次计算5000steps，针对不同工作面回采位置，沿着空巷走向方向进行切面处理并出图分析。

图2 6212煤柱工作面数值模拟模型

图3 模型中空巷位置示意图

3 数值模拟结果分析

3.1 工作面回采过程中顶煤斜交空巷活动规律

6212工作面回采过程中，顶煤斜交空巷靠近采空区侧，受到临近采空区压力影响发生了应力变形，但由于工作面距离空巷较远，未形成围岩破坏增大区。当工作面距离空巷由30m减小到10m时，围岩破坏区范围增大，主要分布在空巷靠近实体煤侧顶板，而随着工作面距离空巷的进一步减小，顶板塑性破坏区范围进一步增大，垂直围岩应力达到20MPa左右，应力集中系数达到1.8，水平应力急剧上升，达到80～100MPa。当工作面推进到空巷位置时，沿空巷走向方向约一半长度发生了塑形变形破坏，垂直围岩应力达到25MPa，而水平应力又恢复至20MPa左右。在此过程中，空巷周边围岩水平应力普遍大于垂直应力，水平应力在20～50MPa范围内波动。受到6212工作面回采超前动压影响，空巷周边围岩塑性变形区域继续增大，当工作面切割空巷24m时（工作面推进到空巷走向长约1/3处），空巷周边围岩完全进入塑性区，直至工作面通过空巷。如图4所示。

图4 空巷距离工作面不同位置围岩塑性区分布

3.2 工作面回采过程中底煤斜交空巷活动规律

6212工作面距离空巷30m时，工作面正在切割顶板空巷，受到回采动压及空巷的双重影响，空巷周边围岩垂直应力增加到10MPa左右，见图5（a）。工作面距离空巷20m时，在空巷靠近实体煤侧顶板出现塑性破坏，空巷周边围岩应力最大可达20MPa，见图5（b）。工作面距离空巷由20m减小至5m时，塑性变形破坏区域持续增大，主要集中在空巷顶板，见图5（c）。工作面推进到空巷位置时，沿空巷走向方向约一多半长度发生塑性变形破坏，见图5（d）。空巷周边围岩水平应力普遍大于垂直应力，水平应力在20～50MPa范围内波动。

3.3 工作面回采过程中交叉点围岩活动规律

由于原6209风巷和6212风巷与62上山轨道巷的两个交叉点距离很近，交叉点附近的较大范围的围岩一定处于应力叠加影响区中，特别是原6209风巷和6212风巷之间的整个窄煤柱受到应力叠加的影响最严重，特别容易发生变形和破坏。在所有交叉点中，6212工作面回采通过该处的交叉点难度最高，因此需对工作面推进过程中该处交叉点围岩变形和受力情况进行分析。模拟结果显示，工作面与交叉点距离从40m推进至20m范围内，交叉点附近围岩逐渐从半塑性状态进入完全塑性区，而随着距离的不断减小，塑性区范围逐渐扩展至交叉点附近，当推进到交叉点处时，空巷一半以上围岩均进入塑性变形状态。在此过程中，垂直应力可达到100～200MPa，水平应力可达到 50～100MPa，应力集中系数最高。如图6所示。

图5 空巷距离工作面不同位置围岩塑性区分布

图6 工作面前方不同位置交叉点塑性区分布

4 结 语

数值模拟结果表明，受6212煤柱综放工作面回采的影响，不同层位空巷围岩发生的变形破坏规律不同，但空巷围岩变形破坏程度都较严重，而随着回采工作面与空巷距离的减小，围岩变形破坏程度更为集中。为了保证煤炭资源的安全回采，必须针对空巷与工作面间的位置关系提出相应的空巷预加固措施，并提出相应的过空巷安全技术措施。本研究成果为6212煤柱工作面提出针对性的空巷加固措施和过空巷安全技术措施，提供了理论支撑。