于 斌，姚強(qiáng)嶺，王少卿，夏 澤

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

回采巷道是服務(wù)于井工煤礦正常生產(chǎn)和安全的重要通道，井工煤礦長(zhǎng)壁工作面回采期間的生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)安全在很大程度上取決于工作面回采過(guò)程中回采巷道的圍巖穩(wěn)定性，并且回采巷道的護(hù)巷煤柱的留設(shè)尺寸與采區(qū)內(nèi)煤炭資源的資源回收率有很大的聯(lián)系[1-4]。維護(hù)回采巷道圍巖穩(wěn)定性所需的傳統(tǒng)礦壓理念下的護(hù)巷煤柱尺寸不斷增大，尤其是煤厚超過(guò)5m或走向長(zhǎng)度超過(guò)1000m的工作面，留設(shè)大型煤柱在一定程度上造成了極大的資源浪費(fèi)。為了提高采區(qū)煤炭資源的采出收率，留設(shè)小煤柱成為當(dāng)下發(fā)展的趨勢(shì)[5-8]。小煤柱在周圍巷道掘進(jìn)完成后進(jìn)入高應(yīng)力二向應(yīng)力狀態(tài)，使煤柱煤體發(fā)生破壞。隨著兩側(cè)工作面的先后回采，工作面開(kāi)采導(dǎo)致的動(dòng)壓影響將促使煤體進(jìn)一步破壞，造成煤柱錨桿錨索受力較大，甚至發(fā)生破斷，從而使支護(hù)失效，引發(fā)事故，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)形勢(shì)，很大程度上制約了安全高效煤礦的常態(tài)化建設(shè)[9，10]。

因此，有必要對(duì)小煤柱巷道應(yīng)力分布及加固技術(shù)研究進(jìn)行研究。Li等[11]針對(duì)兩個(gè)小煤柱應(yīng)用實(shí)例，建立了經(jīng)過(guò)嚴(yán)格標(biāo)定的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)小煤柱的垂直應(yīng)力演化進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[5，12，13]通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法，研究了不同尺寸護(hù)巷煤柱寬度對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中回采巷道圍巖應(yīng)力時(shí)空演化和變形破壞規(guī)律的影響，總結(jié)概括了回采巷道護(hù)巷小煤柱評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)方法；陳金宇等[14]通過(guò)FLAC3D模擬研究了護(hù)巷煤柱在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)力演化規(guī)律，提出了煤柱加固方案；馮偉等[9]采用預(yù)應(yīng)力對(duì)穿錨索加固回采巷道護(hù)巷小煤柱，使工作面回采期間巷道小煤柱幫的圍巖變形得到了有效控制，保證了回采巷道在服務(wù)期間的穩(wěn)定性要求；楊竹軍[15]針對(duì)厚煤層留設(shè)小煤柱條件下的巷道支護(hù)技術(shù)難題，采用理論分析和數(shù)值模擬的方案，對(duì)頂板超前鉆孔形成預(yù)裂切縫技術(shù)進(jìn)行了研究，采用非爆破的方式實(shí)現(xiàn)基本頂斷裂位態(tài)的主動(dòng)控制，優(yōu)化巷道頂板承載結(jié)構(gòu)，有效降低覆巖關(guān)鍵塊對(duì)煤柱的附加載荷，進(jìn)而確保巷道穩(wěn)定性；張文彬[16]研究了綜采工作面小煤柱注漿加固工藝及效果，研究表明通過(guò)注漿加固小煤柱能夠保持回采巷道的穩(wěn)定，滿足安全生產(chǎn)的需要；代進(jìn)等[17]基于采煤工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律和砌體梁平衡理論，分析了大采高工作面小煤柱沿空巷道上覆關(guān)鍵層頂板斷塊下沉運(yùn)動(dòng)特征，探討了大采高條件下沿空巷道圍巖的破壞特點(diǎn)和工程可支護(hù)性能，提出了針對(duì)沿空巷道不同部位的圍巖應(yīng)采用不同的支護(hù)機(jī)理和支護(hù)參數(shù)，并在濟(jì)三煤礦53下12工作面進(jìn)行了試驗(yàn)，確保了巷道的安全使用，同時(shí)也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)合山西省大同市塔山煤礦三盤(pán)區(qū)8311與8312工作面實(shí)際的工程地質(zhì)條件和采掘空間布局實(shí)際情況，建立了FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型模擬研究了小煤柱巷道應(yīng)力分布規(guī)律，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)通過(guò)對(duì)穿錨索復(fù)原小煤柱的三向約束應(yīng)力狀態(tài)，有效地提高了小煤柱的承載能力。

1 工程概況

塔山三盤(pán)區(qū)8311工作面主采山4#煤層，工作面巖層情況如圖1所示。

圖1 8311、8312工作面巖層柱狀圖

8311工作面與8312工作面布置如圖2所示。2312巷內(nèi)原加強(qiáng)支護(hù)整體性較差?；夭蛇^(guò)程中，由于8311工作面頂板中存在的堅(jiān)硬、完整的厚巖層，堅(jiān)硬頂板巖層不但不能及時(shí)、完全冒落，甚至形成永久性的懸臂式結(jié)構(gòu)，增加了作用于臨近工作面的附加應(yīng)力，對(duì)臨近8312工作面2312巷支護(hù)，尤其2312巷與2311巷間6m小煤柱，造成不良影響。

圖2 8312、8311工作面工程平面(m)

2 小煤柱應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值計(jì)算

根據(jù)8311和8312工作面的埋深在模型上邊界施加11.8MPa的垂直應(yīng)力。各煤巖層本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)倫模型，數(shù)值模擬采用的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 模擬方案

主要研究8311工作面開(kāi)采過(guò)程中2312巷圍巖應(yīng)力演化，因此只開(kāi)采8311工作面。模擬方案如下：

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

1)首先開(kāi)挖8311工作面巷道，每步開(kāi)挖9 m，每步開(kāi)挖完成后及時(shí)支護(hù)，并進(jìn)行500步運(yùn)算平衡。

2)待模型運(yùn)算穩(wěn)定后，開(kāi)挖8312工作面巷道，每步開(kāi)挖9m，每步開(kāi)挖完成后及時(shí)支護(hù)，并進(jìn)行500步運(yùn)算平衡。

3)兩巷開(kāi)挖完成后，對(duì)8311工作面進(jìn)行分步回采。

2.3 小煤柱巷道應(yīng)力分布演化

圖3 2312巷圍巖應(yīng)力分布

在8311工作面回采過(guò)程中2312巷圍巖應(yīng)力分布隨8311工作面推進(jìn)距離變化的演化規(guī)律如圖3和圖4所示，圖中相對(duì)距離為負(fù)值時(shí)代表工作面尚未經(jīng)過(guò)測(cè)站，反之則已經(jīng)推過(guò)。由圖3與圖4分析可得：

圖4 8311工作面回采過(guò)程中煤柱應(yīng)力峰值變化

18311工作面回采伊始，由于測(cè)站距離工作面較遠(yuǎn)，2312巷圍巖應(yīng)力分布主要受已掘進(jìn)的兩條巷道影響，在2312巷兩幫形成應(yīng)力增高區(qū)。其中，煤柱幫受2311巷與2312巷疊加影響，導(dǎo)致煤柱幫應(yīng)力水平高于工作面幫。

28311工作面開(kāi)始回采后，受超前支承應(yīng)力作用影響，煤柱應(yīng)力峰值開(kāi)始增長(zhǎng)。由于8311工作面前方煤體承載了大部分采空區(qū)頂板載荷，煤柱受超前支承應(yīng)力作用較小，煤柱峰值應(yīng)力增長(zhǎng)較為緩慢。

38311工作面推過(guò)測(cè)站后，由于2312巷圍巖緊鄰8311工作面采空區(qū)，煤柱應(yīng)力峰值在側(cè)向支承應(yīng)力作用下，迅速增長(zhǎng)。并且，隨著8311工作面繼續(xù)推進(jìn)，測(cè)站附近采空區(qū)懸頂面積不斷增加，煤柱應(yīng)力峰值增長(zhǎng)速度加快，直至采空區(qū)頂板觸矸后逐漸穩(wěn)定。

3 小煤柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案

3.1 小煤柱支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)加固方案

為了保證2312巷經(jīng)過(guò)多次采動(dòng)影響下能夠保證正產(chǎn)安全高效回采，有必要對(duì)小煤柱煤體進(jìn)行加固。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)條件，在保證安全高效生產(chǎn)的前提下，通過(guò)在2312巷小煤柱幫每排布置2根1×19型21.8mm高強(qiáng)鋼絞線，還原小煤柱三向約束應(yīng)力轉(zhuǎn)態(tài)，對(duì)穿錨索間排距均為1200mm×2400mm，如圖5所示。采用14(a)槽鋼作為鋼帶配合規(guī)格為100mm×100mm×10mm的Q235鼓形托盤(pán)對(duì)小煤柱進(jìn)行支護(hù)。錨索張拉力不低于230kN。由于2312巷內(nèi)8311工作面附近礦壓顯現(xiàn)較為明顯，所以超前8311工作面50m進(jìn)行施工。

3.2 小煤柱巷道頂板支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案

2312巷小煤柱所受頂板載荷主要來(lái)源于2312巷堅(jiān)硬厚層頂板的回轉(zhuǎn)下沉，為改善2312巷小煤柱應(yīng)力環(huán)境，有必要對(duì)2312巷頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，達(dá)到抑制頂板發(fā)生離層，減少2312巷頂板回轉(zhuǎn)下沉的目的。通過(guò)沿2312巷煤柱側(cè)布置高強(qiáng)度錨索對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，每排布置1根1×7型?21.8mm×9300mm高強(qiáng)鋼絞線，排距為2400mm，配套規(guī)格為300mm×300mm×16mm的Q235鼓形托盤(pán)，錨索張拉力不低于230kN。由于2312巷內(nèi)8311工作面附近礦壓顯現(xiàn)較為明顯，所以超前8311工作面50m進(jìn)行施工。

在超前工作面20m至滯后工作面40m范圍內(nèi)，采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁及鐵鞋的被動(dòng)支護(hù)方式，在2312巷煤柱側(cè)打設(shè)1排密集支柱進(jìn)行超前支護(hù)，排距1.0m，距煤柱0.3m。

圖5 對(duì)穿錨索支護(hù)斷面(mm)

3.3 小煤柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)

3.3.1 2312巷礦壓監(jiān)測(cè)布置

為獲取2311巷圍巖側(cè)向支承壓力動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，于2312巷在煤柱內(nèi)布置鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)站包含10個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，煤柱幫各測(cè)點(diǎn)間距為1m。圍巖深部應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站設(shè)計(jì)如圖6所示。并通過(guò)交叉測(cè)量方法，對(duì)2312巷在兩側(cè)回采過(guò)程中的圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3.3.2 22312巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2312巷各測(cè)站側(cè)向支承壓力隨8311工作面位置變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。分析圖8可知，2312巷側(cè)向支承壓力隨著距8311工作面的距離變化趨勢(shì)與隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)整體相同。根據(jù)應(yīng)力增量變化曲線，可知2312巷應(yīng)力有以下規(guī)律：①煤柱內(nèi)部應(yīng)力不斷降低，尤其煤柱內(nèi)部靠近表面處，圍巖破碎更為嚴(yán)重，圍巖應(yīng)力增量降低幅度更大；②煤柱承載能力不斷降低，但目前煤柱仍具有一定的承載能力，需及時(shí)對(duì)煤柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)提升其承載能力；③2312巷受8311工作面采動(dòng)影響范圍為工作面超前40m至滯后100m范圍內(nèi)；④煤柱承載能力降低導(dǎo)致頂板載荷向2312巷轉(zhuǎn)移，2312巷煤壁幫內(nèi)部應(yīng)力不斷升高。

2312巷圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示，在8311工作面回采過(guò)程中，工作面前方60m范圍內(nèi)2312巷圍巖在超前支承應(yīng)力作用下開(kāi)始發(fā)生變形，工作面后方100m范圍外2312巷圍巖變形逐漸穩(wěn)定。巷道中央頂板的最大收斂量為241mm，兩幫移進(jìn)量最大為521mm。巷道服務(wù)期間未出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，考慮到巷道截面對(duì)運(yùn)輸和行人的要求，支護(hù)方法優(yōu)化后的2312巷可以滿足要求，這表明2312巷的穩(wěn)定性得到了有效的保持。

圖7 2312巷圍巖壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8 2312巷圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1)基于塔山煤礦8311與8312工作面工程地質(zhì)條件，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析了8311工作面回采過(guò)程中小煤柱應(yīng)力分布演化。隨工作面與測(cè)站相對(duì)位置變化，小煤柱先后承受超前支承應(yīng)力與側(cè)向支承應(yīng)力作用，煤柱應(yīng)力逐漸增大。

2)以8311與8312工作面為工程背景，提出基于對(duì)穿錨索加固小煤柱配合頂板支護(hù)方案和不對(duì)稱錨架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，巷道中央頂板的最大收斂量為241mm，兩幫移進(jìn)量最大為521mm，能夠滿足巷道服務(wù)期間的安全生產(chǎn)要求。