小煤柱开采沿空掘巷围岩稳定性研究

栗 东，李亚超

(1.晋能控股煤业集团 山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046013；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

常规护巷煤柱宽度多为20～30 m，大采深矿区护巷煤柱宽度达到40～60 m，大大降低了煤炭采出率，造成了煤炭资源的浪费[1-2]。因此，目前无煤柱或小煤柱技术得到了广泛的推广，但小煤柱沿空掘巷仍然存在诸多技术难题需要攻克[3-4]。

大量学者在小煤柱沿空掘巷方面开展了研究工作，张百胜等[5]采用FLAC3D数值模拟和巷道变形现场实测，对潞安集团阜生煤矿6 m大采高留小煤柱切顶卸压沿空掘巷机理与围岩控制进行了研究；毕慧杰等[6]采用深孔爆破的方法对小煤柱巷道顶板进行预卸压，有效降低了顶板下沉量，小煤柱巷道围岩得到了有效控制；任帅等[7]利用UDEC软件模拟分析了注浆加固后不同煤柱宽度情况的损伤程度，提出了煤柱承载分尺寸分区分级特征；闫捷[8]提出了同忻煤矿5307巷煤柱侧临空硐室注浆加固治理方法，有效实现了小煤柱工作面的成功开采。综上所述，切顶和注浆加固可以有效保证沿空掘巷围岩的稳定。目前，水力压裂技术在瓦斯治理和初采初放中得到了广泛应用。现有研究表明，水力压裂技术与爆破技术具有相近的应用效果[9-10]，但在切顶卸压中的应用仍然较少。因此，本文以三元煤业4306工作面回风巷道沿空掘巷为背景，建立了FLAC数值计算模型，对比分析了留设5 m小煤柱时采用切顶注浆、不切顶注浆和不切顶不注浆3种情况下，4306回风巷道的变形规律。

1 工程概况

山西三元煤业股份有限公司隶属于晋能控股煤业集团。矿井核定生产能力260万t/a。井田面积19.8 km2，批准开3号、9号、14号、15号煤层，煤层赋存条件良好，煤层倾角0～10°，现开采3号煤层。4302和4306工作面位于四采区(如图1所示)，4306工作面位于4302工作面南部，小煤柱试验区位于4302回风巷道和4306回风巷道之间，小煤柱留设宽度为5 m.

图1 工程概况

1.1 巷道支护与小煤柱注浆设计

4306回风巷道支护设计如图2所示，共布置14根D22 mm×2 400 mm锚杆，左侧(小煤柱侧)布置注浆锚索(2根D18.9 mm×4 300 mm注浆锚索，1根D18.9 mm×5 300 mm注浆锚索)，顶部布置3根D18.9 mm×9 300 mm锚索，靠近小煤柱侧的1根为抗弯剪锚索，右侧布置1根D18.9 mm×4 300 mm锚索。

图2 巷道支护设计(mm)

1.2 水力压裂切顶设计

水力压裂切顶钻孔设计如图3所示，钻孔需要打入老顶中，开孔位置距巷道顶角1.3 m，与顶板夹角为70°，与巷道走向的夹角为47.4°，孔深21.6 m，钻孔直径为56 mm，每间隔7 m布置1个钻孔，共布置钻孔156个。采用倒退式钻孔压裂方法，即从钻孔底部开槽处向孔口依次进行压裂，第一次压裂位置距离孔底1.3 m，以后每倒退2.2 m压裂1次，共压裂4次，压裂层位为孔深11.5～21.6 m.

图3 水力压裂钻孔设计

2 数值计算模型的建立

根据上述工程情况，采用FLAC建立三元煤业小煤柱沿空回风巷道变形分析数值模拟模型，如图4所示。.

图4 三元煤业小煤柱沿空回风巷道变形分析数值模拟模型

模型长×宽×高=200 m×30 m×50.6 m.模型边界条件设定为底面固定，四周法向位移约束，顶面施加上覆岩重8.38 MPa.岩石本构模型采用摩尔库仑模型，设其参数如表1所示。巷道支护结构中金属网采用shell单元进行模拟，设其弹性模量和泊松比分别为3.0 GPa和0.3，锚杆和锚索则采用cable单元进行模拟，设其弹性模量和泊松比分别为212 GPa和0.28.

表1 回风巷道周边不同岩层的物理力学参数

另外，为对比分析4302工作面开采过程中不同回风巷道煤柱留设方案对4306回风巷道围岩稳定性的影响，本文设计以下两种数值模拟方案：

1) 方案1：小煤柱注浆切顶(实际方案)。对回风巷道煤柱进行注浆加固，并在4302工作面开采前对4302回风巷道上方关键层进行水力压裂切顶卸压。

2) 方案2：小煤柱注浆不切顶。对回风巷道煤柱进行注浆加固，但不在4302工作面开采前对4302回风巷道上方关键层进行水力压裂切顶卸压。

3) 方案3：小煤柱切顶不注浆。对回风巷道煤柱不进行注浆加固，但在4302工作面开采前对4302回风巷道上方关键层进行水力压裂切顶卸压。

4) 方案4：小煤柱不切顶不注浆。对回风巷道煤柱不进行注浆，也不在4302工作面开采前对4302回风巷道上方关键层进行水力压裂切顶卸压。

3 小煤柱沿空巷道变形破坏特征研究

3.1 竖向位移特征

4302工作面开采后，不同方案下4306回风巷道围岩的竖向位移分布如图5所示。可以看出，受4302采空区采动影响，煤柱注浆切顶条件下，4306回风巷道最大沉降值出现在顶板表面中心偏靠煤柱的位置，其值约为144 mm.此时，其顶底板移近量约为160 mm，满足使用的要求。煤柱注浆不切顶条件下，4306回风巷道最大沉降值出现在顶板表面靠近煤柱的位置，其值约为210 mm，此时，其顶底板移近量约为240 mm，比注浆切顶条件下增加了33%.煤柱切顶不注浆条件下，4306回风巷道最大沉降值出现在顶板表面靠近实体帮的位置，其值约为400 mm，此时，其顶底板移近量约为450 mm，比注浆切顶条件下增加了181%.煤柱不切顶不注浆条件下，4306回风巷道最大沉降值出现在顶板表面靠近实体帮的位置，其值约为480 mm，此时，其顶底板移近量约为535 mm，比注浆切顶条件下增加了234%.可见，对沿空巷道小煤柱进行注浆切顶能够很好地控制沿空巷道的顶底板位移，保证沿空巷道的正常使用。

图5 不同方案下沿空巷道的竖向位移分布图(mm)

3.2 水平位移特征

4302工作面开采后，不同煤柱留设方案下4306回风巷道围岩的水平位移分布如图6所示。

图6 不同方案下沿空巷道的水平位移分布图

由图可知，4302工作面开采后，煤柱注浆切顶条件下4306回风巷道实体帮以及煤柱帮的最大水平位移均出现在两帮表面中心位置，均为120 mm左右，满足正常使用的要求。而煤柱注浆不切顶条件下，4306回风巷道实体帮最大水平位移保持120 mm基本不变，而煤柱帮最大水平位移则增长至300 mm，比注浆切顶条件下增加了150%.煤柱切顶不注浆条件下，4306回风巷道实体帮以及煤柱帮最大水平位移分别增长至600 mm和300 mm，且其出现位置相对靠下，严重影响了沿空巷道的使用安全。煤柱不切顶不注浆条件下，4306回风巷道实体帮以及煤柱帮最大水平位移分别增长至720 mm和360 mm，比注浆切顶条件下增加了200%～500%.因此，对沿空巷道留设窄煤柱时，必须对窄煤柱进行注浆加固，必要的情况下还需对采空区顶板进行卸压处理，否则会导致沿空巷道两帮(尤其是煤柱帮)因水平位移过大而失稳破坏。

3.3 围岩破坏特征

4302工作面开采后，不同方案下4306回风巷道围岩的塑性区分布见图7(红色表示塑性屈服)。

图7 不同方案下沿空巷道的塑性区分布图

4302工作面开采后，煤柱注浆切顶条件下4306回风巷道围岩在顶板、底板、实体帮的塑性区破坏深度分别为3.0 m、1.0 m以及3.0 m，在煤柱帮的塑性区则与4302回风巷道连通导致整个窄煤柱都发生了屈服，但由于对窄煤柱进行了注浆加固以及切顶卸压处理，因此，整个窄煤柱破坏程度相对较轻，仍保留有较高的承载能力，较为稳定。煤柱注浆不切顶条件下，4306回风巷道围岩的塑性区分布范围与注浆切顶条件下相当，但此时，由于4302采空区顶板不再沿着水力压裂薄弱面发生垮落，而是沿着4302回风巷道边界面整体切落，这将导致窄煤柱上方大范围岩体仍直接作用于窄煤柱上，不利于窄煤柱的安全。煤柱切顶不注浆条件下，虽然水力压裂切顶降低了作用在窄煤柱上方的压力，但由于不注浆条件下窄煤柱本身承载力十分有限，因此在采空区集中应力作用下窄煤柱破坏程度反而更大，其残余承载力也最低。不注浆不切顶条件下，预留窄煤柱不仅会发生整体屈服破坏，而且4306巷道顶板围岩塑性区还将与采空区塑性区大面积相连，导致沿空巷道净空间严重缩小而不再满足使用要求。

4 结 语

本文针对三元煤业小煤柱沿空巷道稳定性情况，利用FLAC数值模拟软件，模拟分析了4种不同方案下小煤柱沿空掘巷巷道的变形破坏规律，主要结论如下：

1) 切顶注浆、注浆不切顶、切顶不注浆以及不切顶不注浆4种方案下，4306回风巷道顶底板最大移近量分别为160 mm、240 mm、450 mm和535 mm.

2) 切顶注浆、注浆不切顶、切顶不注浆以及不切顶不注浆4种方案下，4306回风巷道煤柱帮和实体帮的最大水平位移分别为120 mm和120 mm、300 mm和120 mm、600 mm和300 mm、720 mm和360 mm.

3) 切顶注浆可以有效降低4306回风巷道的变形，在此情况下，巷道顶板、底板、实体帮围岩的塑性区破坏深度分别为3.0 m、1.0 m以及3.0 m.