劉少沛 王寧博

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

陽煤集團(tuán)新元煤礦由于厚層泥巖頂板，內(nèi)部節(jié)理、裂隙發(fā)育，強(qiáng)度低，自穩(wěn)性差，巷道斷面跨度大，頂部拉應(yīng)力集中等原因，在工作面回采過程中，受劇烈采動(dòng)的作用，引起巷道頂板冒頂以及離層情況的發(fā)生，引起嚴(yán)重臌幫或者垮幫，巷道的支護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)大范圍損毀，威脅礦井的安全高效生產(chǎn)。本文通過對(duì)新元煤礦動(dòng)壓煤巷區(qū)段保護(hù)煤柱礦壓進(jìn)行實(shí)測和數(shù)值模擬研究，對(duì)煤巷的礦壓分布規(guī)律進(jìn)行了研究以及總結(jié)，針對(duì)煤巷在劇烈采動(dòng)時(shí)采取科學(xué)的支護(hù)策略。

1 工程概況

東四正巷位于中央進(jìn)風(fēng)立井井筒以東，全長1846m，為310103工作面、310104工作面回采巷道，其主要作用是310103工作面回采的進(jìn)風(fēng)順槽和輔助運(yùn)輸順槽，同時(shí)作為310104工作面回采的進(jìn)風(fēng)和膠帶運(yùn)輸順槽。工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 310103工作面巷道布置圖

在中間巷和正副巷范圍內(nèi)的煤柱寬度基本保持在22m左右。在這個(gè)范圍內(nèi)均采用聯(lián)絡(luò)橫貫，處于中間巷和正巷范圍內(nèi)的橫貫互相間隔100m，處于中間巷和副巷范圍內(nèi)的橫貫互相間隔50m。310103工作面主采3#煤層，平均厚度2.6m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.53m；基本頂為軟弱砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，平均厚度2.38m，其上覆巖層為3.2m的砂質(zhì)泥巖。直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.96m，其下為粉砂巖，平均厚度為1.2m。

2 動(dòng)壓影響巷道煤柱礦壓特征分析

動(dòng)壓影響巷道煤柱礦壓特征主要是在巷道開掘過程中，處于煤柱側(cè)及實(shí)體煤壁側(cè)大部分圍巖一直保持相對(duì)靜壓，礦壓變化幅值較小，巷道的形變幅度較小。如果相鄰或者該工作面的開采作用于圍巖時(shí)，會(huì)破壞最初的靜壓狀態(tài)，圍巖應(yīng)力值就急劇升高，造成煤柱大面積片幫，垮幫，甚至整體內(nèi)移等，進(jìn)而導(dǎo)致巷道兩幫移近量顯著增大，斷面急劇縮小，威脅礦井安全生產(chǎn)。對(duì)新元煤礦東四正巷煤柱礦壓進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 東四正巷煤柱礦壓分析示意圖

根據(jù)東四正巷煤柱礦壓顯現(xiàn)的實(shí)際觀測情況，可對(duì)新元煤礦動(dòng)壓影響煤巷保護(hù)煤柱礦壓顯現(xiàn)基本特征規(guī)律做如下分析總結(jié)：

（1）東四正巷服務(wù)時(shí)間長，煤柱先后受到綜采面采動(dòng)超前支承壓力和采后支承壓力劇烈影響，需經(jīng)歷順槽掘進(jìn)期、切眼掘進(jìn)期、回采設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動(dòng)劇烈影響期等，變形破壞時(shí)間長。

（2）在第一次采動(dòng)劇烈影響期內(nèi)，由于回采引起圍巖應(yīng)力重新分布。采空區(qū)面積大，導(dǎo)致巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)模大，煤柱顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈，同時(shí)此階段也是研究觀測的重點(diǎn)，之后煤柱礦壓會(huì)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段。

（3）二次采動(dòng)影響的時(shí)間和空間規(guī)律與一次采動(dòng)影響類似，但由于此時(shí)煤柱受到下區(qū)段工作面超前支承壓力和中間巷側(cè)剩下支撐壓力的附加影響，所以二次采動(dòng)時(shí)，造成的影響會(huì)更劇烈，作用的范圍也相對(duì)擴(kuò)大。

3 正巷煤柱礦壓實(shí)測

3.1 觀測方法

采用ZCDY-IIA型鉆孔應(yīng)力傳感器對(duì)東四正巷煤柱支承壓力進(jìn)行觀測，該力學(xué)測量設(shè)備整合了液壓技術(shù)和力鋼弦振動(dòng)機(jī)理，而壓力枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用了充液膨脹的方法。該設(shè)備主要測量煤巖體內(nèi)的相對(duì)應(yīng)力大小。觀測數(shù)據(jù)的讀取采用煤礦用壓力信號(hào)分析系統(tǒng)在地面PC機(jī)上進(jìn)行。

3.2 測點(diǎn)布置

對(duì)劇烈采動(dòng)影響的東四正巷進(jìn)行煤柱礦壓的監(jiān)測時(shí)，考慮將測點(diǎn)布置在東四正巷與東四中間巷之間煤柱體內(nèi)。把3個(gè)壓力測試分站安裝在煤柱體內(nèi)，4個(gè)鉆孔應(yīng)力傳感器負(fù)責(zé)一個(gè)分站，設(shè)置各自的鉆孔深度是2m、8m、14m以及20m，并排打孔在巷幫中部區(qū)域，孔距5m，孔徑50mm，和底板之間的距離是1.5m，合計(jì)設(shè)置12個(gè)測試點(diǎn)。每兩個(gè)分站之間的距離為50m。測站的布置圖如3所示。

圖3 東四正巷煤柱礦壓監(jiān)測測站布置圖

3.3 結(jié)果分析

東四正巷的測站布置完成后，對(duì)煤柱礦壓分布進(jìn)行監(jiān)測分析。由于東四正巷煤柱受到310103回采工作面的采動(dòng)影響，因此對(duì)礦壓的觀測應(yīng)根據(jù)工作面的推進(jìn)距離進(jìn)行測定，直至工作面推過測站。

當(dāng)開采工作面推過待測測站之后，設(shè)備就能收集到相關(guān)數(shù)據(jù)，校核該數(shù)據(jù)，去除掉被測量設(shè)備破壞的測點(diǎn)數(shù)據(jù)和離散很大的測點(diǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)工作面推過測站，校核觀測數(shù)據(jù)，剔除鉆孔應(yīng)力計(jì)破壞的測點(diǎn)以及數(shù)據(jù)離散性較大的測點(diǎn)，對(duì)測量設(shè)備所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，結(jié)果如圖4和表1所示。

圖4 離巷幫不同距離處煤柱礦壓分布圖

表1 東四正巷煤柱礦壓分布特征表

根據(jù)上述圖、表可以看出：

（1）各深度的礦壓分布具有相同的規(guī)律，都經(jīng)歷了平穩(wěn)區(qū)—升高區(qū)—降低區(qū)—平穩(wěn)區(qū)的變化過程。

（2）在距離工作面前方55m左右處，各深度鉆孔應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)變化都很小，可認(rèn)為此前的煤體處于原巖應(yīng)力區(qū)，垂直方向上原巖應(yīng)力均值為13.75MPa。

（3）隨著工作面的推進(jìn)，在距離工作面前方52m左右處，鉆孔應(yīng)力計(jì)的讀數(shù)開始增大；在距離巷幫14m處煤柱各測點(diǎn)壓力達(dá)到峰值61.5MPa；此后各測點(diǎn)的壓力值迅速降低，接近原巖應(yīng)力值。

（4）在采動(dòng)劇烈影響條件下，東四正巷煤柱所受310103工作面超前支承壓力的影響范圍為52m，在回采工作面前方15m處達(dá)到支承壓力峰值，峰值為44MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.2。

4 正巷支承壓力數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立及參數(shù)設(shè)定

為了能夠反映在工作面推進(jìn)過程中，東四正巷煤柱前方及側(cè)向煤柱支承壓力的分布特征及其變化規(guī)律，本文采用FLAC3D大型三維巖土工程軟件，依據(jù)310103工作面的地質(zhì)資料建立數(shù)值模型。模型尺寸為長×寬×高=316.5m×160m×45m，共劃分82720個(gè)單元，89712個(gè)結(jié)點(diǎn)。模型的四個(gè)側(cè)面為位移邊界，約束水平位移，底部為固定邊界，約束水平位移和垂直位移。上覆巖層的重力按均布荷載施加在模型的上部邊界，東四正巷順槽平均埋深560m，施加荷載q=γh=2500×9.8×560=13.72MPa。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 煤柱側(cè)向水平應(yīng)力結(jié)果分析

如圖5（a、b、c、d）分別給出了310103工作面回采過程中，距工作面前方不同距離處煤柱的側(cè)向水平應(yīng)力分布云圖。

圖5 距工作面前方不同距離處正巷煤柱水平應(yīng)力分布

從圖中可以看出，至巷幫煤柱0～6m為側(cè)向水平應(yīng)力降低區(qū)，距離工作面越近，水平應(yīng)力影響范圍越大；煤柱中存在著6～12m的水平應(yīng)力升高區(qū)，該區(qū)域的影響范圍與工作面距離密切相關(guān)，當(dāng)距離工作面越近時(shí)，煤柱中該區(qū)域距兩幫集中水平應(yīng)力區(qū)趨于更近，甚至可以串接在一起，從而大范圍、更為強(qiáng)烈地影響巷道頂板的支護(hù)，對(duì)多次動(dòng)壓作用下東四正巷而言，加大頂板支護(hù)強(qiáng)度可以起到明顯的支護(hù)效果；當(dāng)距離工作面越遠(yuǎn)時(shí)，如圖5（d），不僅水平應(yīng)力值較小，而且影響范圍也非常有限。

4.2.2 煤柱剪切應(yīng)力結(jié)果分析

如圖6（a、b、c、d），分別給出工作面回采過程中距工作面前方不同距離處煤柱的剪切應(yīng)力分布云圖。

圖6 距工作面不同距離處正巷煤柱剪切應(yīng)力分布

從圖中可以看出，煤柱體受到的剪切應(yīng)力破壞影響范圍不大，主要分布于距離巷幫7m以內(nèi)的煤柱體內(nèi)。隨著工作面的推進(jìn)，煤柱體內(nèi)的剪切應(yīng)力雖然有所增加，但整體應(yīng)力值不大，最大應(yīng)力值為5.5MPa，在對(duì)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮加強(qiáng)對(duì)頂?shù)捉堑目刂啤?/p>

5 結(jié)論

（1）分析總結(jié)了東四正巷煤柱需經(jīng)歷順槽掘進(jìn)期、切眼掘進(jìn)期、回采設(shè)備安裝期、采面銜接期、采動(dòng)劇烈影響期等五個(gè)不同時(shí)期的影響，變形破壞時(shí)間長。

（2）通過實(shí)測，在劇烈采動(dòng)影響下，東四正巷煤柱所受超前支承壓力的影響范圍為52m，在回采工作面前方15m處達(dá)到支承壓力峰值為44MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.2。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，東四正巷煤柱至巷幫0～6m為側(cè)向水平應(yīng)力降低區(qū)；剪切應(yīng)力破壞范圍要分布于距離巷幫7m以內(nèi)的煤柱體內(nèi)，最大應(yīng)力值為5.5MPa。