王志強，田 野，劉吟蒼，王 鵬，于 峰

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.西安科技大學 西部煤炭綠色開發(fā)國家重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中國礦業(yè)大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；4.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭安全開采與地質(zhì)保障國家級實驗教學示范中心，北京 100083)

傾斜分層下行垮落采煤法是厚煤層開采的重要方式之一[1]。該采煤法布置中下分層回采巷道一般有三種方式：內(nèi)錯式、外錯式和重疊式。重疊式布置上下區(qū)段煤柱保持一致，煤炭損失量較小，但由于煤柱多次受到回采擾動，使得下分層巷道維護困難，以往在煤礦中運用較少。

隨著近年來，窄煤柱護巷在我國取得了一系列的成果，眾多學者對于采動影響圍巖控制問題，進行了大量的研究。張元超[2]等分析表明由支護結(jié)構(gòu)和煤柱共同組成小結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是造成巷道失穩(wěn)的關鍵因素。張洪偉[3]等認為非充分穩(wěn)定覆巖運動是影響巷道發(fā)生變形失穩(wěn)的關鍵因素；楊科[4]等針對窄煤柱在二次采動作用下圍巖的演化特征，得出圍巖應力分布的差異性和分區(qū)演化是造成巷道變形的重要原因。王衛(wèi)軍[5]通過對比分析塑性區(qū)均勻擴展和惡性擴展對巷道變形的影響，得出控制塑性區(qū)的惡性擴展是維護圍巖穩(wěn)定的有效因素。李學華[6]等通過對窄煤柱經(jīng)典案例的分析，得出錨 桿可以對淺部圍巖進行強化，提供一定的側(cè)向約束力?？导t普[7]等提出高預緊力高強度錨桿索支護可以顯著降低圍巖變形。

針對老公營子煤礦5#煤層分層開采重疊布巷，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方式，分析中下分層回采造成覆巖的運動對于煤柱變形的破壞的影響、巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)及應力分布規(guī)律，揭示分層開采窄煤柱巷道變形機理，并針對中下分層接續(xù)工作面回采巷道失穩(wěn)嚴重的問題，提出相應的支護方案，并進行現(xiàn)場實踐，為同類型巷道支護提供借鑒。

1 地質(zhì)生產(chǎn)條件

老公營子煤礦5#煤層平均厚度14.2m，煤類為褐煤，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，矸石巖性以泥巖、粉砂巖為主，局部可見炭質(zhì)泥巖；頂板以泥巖、細粒砂巖為主，局部為粗粒砂巖。頂板含水，巖性較為松散、泥質(zhì)膠結(jié)，遇水膨脹，易破碎。底板以泥巖、粉砂巖為主，膠結(jié)松散，遇水膨脹，易破碎。采用分層開采重疊布巷技術，巷道的具體布置方式如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置方式

2 覆巖結(jié)構(gòu)對窄煤柱穩(wěn)定性影響機制

首分層回采上覆巖層回轉(zhuǎn)變形，形成“O-X”型破斷[8-10]，基本頂破斷后一端搭接在煤柱上方，另一端搭接在采空區(qū)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上，形成以老頂巖層為主的“大結(jié)構(gòu)”[11]，巷道圍巖及其支護結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成影響巷道穩(wěn)定的“小結(jié)構(gòu)”，兩者相互影響、相互作用。通過分析覆巖運動特征進而揭示巷道圍巖失穩(wěn)的機理。

依據(jù)老公營子I05(8)2回采巷道生產(chǎn)的地質(zhì)條件及地質(zhì)力學模擬的參數(shù)，采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立規(guī)格為229m×2m×110m模型。邊界條件：上部為應力邊界，四周水平位移固定，按照實際地應力給模型施加初始應力，巖石物理力學參數(shù)見表1，節(jié)理物理力學參數(shù)見表2。

表1 巖石物理力學參數(shù)

表2 巖石節(jié)理物理力學參數(shù)

如圖2(a)所示，首分層回采的過程與普通綜采工作面覆巖運動相同，直接頂垮落充填采空區(qū)，基本頂形成鉸接結(jié)構(gòu)。窄煤柱經(jīng)歷上分層回采過程中2次“斷裂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定”，煤柱發(fā)生塑性破壞，承載應力降低。

如圖2(b)所示，中下分層首采面回采巷道布置在穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”下，在巷道掘進過程中，外部的力學環(huán)境無明顯變化，巷道圍巖的破壞主要是由于上分層殘留煤柱對于底板應力作用及煤柱中應力集中引起。當工作面進行回采時，窄煤柱經(jīng)歷3次“斷裂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定”，煤柱承載能力進一步降低。

圖2 各分層回采覆巖運動特征

如圖2(c)所示，中下分層接續(xù)工作面回采巷道布置時，覆巖正在發(fā)生回轉(zhuǎn)運動，造成“大結(jié)構(gòu)”失穩(wěn)，巷道圍巖破壞的主要由覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成，當工作面回采時，窄煤柱經(jīng)歷4次“斷裂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定”，煤柱承載能力進一步降低。

基于上述分析，得到分層開采過程中各階段煤柱破壞因素有所差異，首采工作面巷道處于已經(jīng)穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”的保護之下，巷道圍巖破壞主要由煤柱內(nèi)應力集中引起，而接續(xù)工作面巷道掘進時，“大結(jié)構(gòu)”由于首工作面的回采，產(chǎn)生失穩(wěn)變形，造成接續(xù)巷道產(chǎn)生大變形的外在因素，同時受回采擾動頻繁，煤柱塑性發(fā)育程度較高，是造成圍巖大變形的內(nèi)在因素。

3 窄煤柱穩(wěn)定性分析

當上分層回采完成之后，受到覆巖運動及采掘擾動的影響，煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性破壞，應力向深部轉(zhuǎn)移，考慮到煤柱內(nèi)是否還存在彈性核，根據(jù)巖石極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值到煤柱邊緣的距離R的公式為：

根據(jù)老公營子煤礦5#煤層實際地質(zhì)資料，確定煤層各力學參數(shù)為：煤層采深H=400，煤厚M=3.0m，容重γ=0.025，層面間摩擦系數(shù)f=0.36，內(nèi)聚力C=1.4MPa，內(nèi)摩擦角φ=21.3°，P為殘余支護強度，一般忽略不計；k一般為2～4，這里取3，三軸應力系數(shù)ξ=2.14，帶入式(1)，求得塑性區(qū)的寬度R=6.16m。此時煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，在殘留煤柱內(nèi)形成對稱的 “孤峰型”的應力分布，如圖3所示。

圖3 上分層回采煤柱應力分布

由于中、下分層首采工作面巷道處于穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”，巷道圍巖破壞主要由集中應力引起；接續(xù)工作面回采巷道受到“大結(jié)構(gòu)”影響，窄煤柱承受的載荷增大，偏載作用顯著，自身由于受到多次回采擾動的影響，煤柱塑性繼續(xù)發(fā)育，根據(jù)巖石加卸實驗，煤柱的支承能力進一步下降，煤柱內(nèi)應力降低。使殘留煤柱內(nèi)形成不規(guī)則的“孤峰型”的應力分布，易產(chǎn)生鼓幫現(xiàn)象，造成巷道的破壞，如圖4所示。

圖4 下分層首采面回采煤柱應力分布

綜上所述，分層開采圍巖破壞的關鍵在于“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)造成“小結(jié)構(gòu)”的不穩(wěn)定，“小結(jié)構(gòu)”的破壞加劇“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)，“大小結(jié)構(gòu)”相互作用造成巷道圍巖失穩(wěn)破壞，如圖5所示。

圖5 巷道圍巖失穩(wěn)關系

4 巷道應力分析

通過對煤柱穩(wěn)定性的分析，分層開采圍巖破壞的關鍵在于“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)造成“小結(jié)構(gòu)”的不穩(wěn)定，通過大量的實踐證明，通過控制“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來控制圍巖穩(wěn)定性是難以實現(xiàn)的，因此，我們通過控制“小結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來使巷道圍巖保持穩(wěn)定，來控制巷道圍巖的變形。通過對巷道圍巖應力進行分析，有利于我們提出針對性的圍巖支護方案。

5#煤層采用分層開采技術，巷道頂板為留設的煤層假頂，上分層遺留煤柱對下分層回采巷道造成擾動[12]，巷道圍巖應力具有明顯的非均勻性，在煤柱下方形成集中，隨著距煤柱距離的增加，應力逐漸的降低，由圖3可知，對煤柱底板應力分布進行簡化，將破裂區(qū)和塑性區(qū)視為線性分布。建立如圖6所示計算模型。

圖6 底板受力簡化

利用彈性力學理論[13-15]，通過條帶積分法求得集中載荷作用下底板任意一點的應力狀態(tài)為：

式中，x，y分別為該點位置在坐標系中的坐標位置；a為應力影響區(qū)域到縱坐標軸的距離；x1、x2分別為煤柱兩側(cè)在坐標系內(nèi)的坐標位置；x0為應力集中區(qū)域在坐標系內(nèi)的位置；R1、R2為煤柱兩側(cè)到應力集中區(qū)域的水平距離。

當k固定時，以I05(8)2巷道煤柱幫及頂板為研究對象，可以近似的得到應力集中區(qū)域偏移對巷道圍巖垂直應力、水平應力和剪切應力的分布曲線，如圖7所示。

圖7 集中應力偏移對巷道圍巖應力變化影響

由圖7可知，當k值確定時，隨著應力集中區(qū)域的偏移，該側(cè)煤柱所承受的水平應力、垂直應力、以及剪切應力均有大幅度的增大，垂直應力隨著向采空區(qū)方向延伸，應力不斷降低，但靠近煤柱側(cè)頂板所受殘留煤柱影響較大，此時巷道頂板偏載作用顯著，造成巷道頂板局部破壞嚴重。

回采巷道處于穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)下方，煤柱由于“大結(jié)構(gòu)”失穩(wěn)且受多次擾動，塑性區(qū)發(fā)育程度較高，水平應力成為影響巷道穩(wěn)定的主要因素[16]。由于煤柱寬度較窄，且受到較大非均布載荷的作用，易產(chǎn)生鼓幫現(xiàn)象，造成巷道的破壞。以矩形巷道為例，構(gòu)建如圖8所示的煤幫受力簡化圖。分析巷道煤幫受力情況。

圖8 煤幫受力簡化

設煤幫的總載荷為Q，由圖8可知：

由材料力學[17]可知：

煤幫最大彎矩Mmax的位置為：

Mmax可以表示為：

當Q與l固定時，X、Mmax與λ之間的關系曲線如圖9、圖10所示。

圖9 x-λ關系曲線

圖10 Mmax-λ關系曲線

如圖9、圖10所示，當煤幫所受總載荷一定時，隨著不均衡系數(shù)的增大，最大彎矩Mmax逐漸增加，最大彎矩所處位置也向非均布載荷較大區(qū)域偏移，使得煤幫中上部區(qū)域出現(xiàn)局部過載，產(chǎn)生局部破壞，造成支護體機構(gòu)失穩(wěn)。5#煤層中下分層接續(xù)工作面巷道的失穩(wěn)特征主要表現(xiàn)：頂板下沉量比較小，鋼帶發(fā)生輕微彎曲變形；煤幫幫鼓較為嚴重，工字鋼發(fā)生明顯變形，且與煤幫之間形成較大空洞，導致部分錨桿錨索部分失效。

5 數(shù)值模擬

為分析煤柱塑性區(qū)的發(fā)育及驗證上述分析的合理性，運用 FLAC3D數(shù)值軟件建立規(guī)格為229m×2m×110m模型。

圖11 煤柱狀態(tài)及應力分布

煤柱狀態(tài)及應力分布如圖11所示。由圖11可知，上分層回采后煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，隨著工作面的不斷回采，煤柱的支承應力不斷的降低，煤柱塑性進一步的發(fā)育。隨著I05(7)2回采巷道掘進及工作面的回采，應力集中區(qū)域向另一側(cè)轉(zhuǎn)移。

巷道煤幫位移如圖12所示，由圖12可知，I05(8)2煤柱幫變形比I05(7)2小煤柱幫變形大，從I05(8)2巷道變形情況來看，主要集中在小煤柱的中上部位以及頂板的一側(cè)，且在煤幫中上部區(qū)域局部變形相對較大，與理論分析相吻合，證實了前述研究的合理性。

圖12 巷道煤幫位移

6 回采巷道圍巖控制方案

6.1 圍巖控制思路

通過理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場實際觀測可知，“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)是造成煤幫大變形的外在因素，煤幫經(jīng)過多次回采擾動，發(fā)生屈服破壞，承載能力降低，是造成煤幫大變形的內(nèi)在因素。眾多實踐證明，通過控制“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來控制煤幫穩(wěn)定性是不可行。因此，我們通過控制“小結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來達到維護巷道的目的，故此提出“封閉強化、區(qū)別對待”的控制思路。

1)強化煤柱。通過內(nèi)部注漿，修復煤柱內(nèi)產(chǎn)生的損傷裂隙，為錨桿索提供錨固點，提高煤柱整整強度；表面噴漿，使破碎圍巖重新結(jié)合成一個整體，減少巷道表面裸露時間，降低風化程度，強化巷道周邊圍巖強度，使其由荷載體向承載體轉(zhuǎn)變[18]，阻止深部圍巖的破壞。在錨桿錨索間采用工字鋼支護，利用其較高的支撐能力防止圍巖變形，與錨桿錨索形成由淺到深的完整支護體系。

2)增強關鍵部位承載能力。由于巷道受到非均布載荷的作用明顯，巷道支護結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)局部過載現(xiàn)象，造成局部產(chǎn)生大變形。在靠近殘留煤柱側(cè)巷道頂板采用木支柱或單體液壓支柱加強支承力，煤柱幫通過錨索補強加固。

6.2 圍巖控制方案

基于以上研究分析，為保證巷道在服務期間的穩(wěn)定性，提出了 “架棚錨桿索+鋼帶+圍巖噴漿注漿”的聯(lián)合支護方案。并針對非均布載荷作用造成的影響，通過補強錨索與單體液壓支柱進行巷道支承，具體支護方案如圖13所示。具體支護參數(shù)見表3。

圖13 支護方案(mm)

表3 支護參數(shù)表

6.3 現(xiàn)場工業(yè)性實驗

為驗證聯(lián)合支護對于I05(8)2軌道平巷的支護效果，在超前工作面100m的范圍內(nèi)，每間隔5～6m布置觀測點，采用“十字測量法”對加固后的巷道圍巖變形進行檢測，如圖14所示，窄煤柱受超前支承壓力影響顯著，隨著距工作面的距離減少，巷道圍巖變形量增大，兩幫的最大移近量為470mm左右，巷道頂?shù)装宓淖畲笞冃瘟繛?50mm左右。結(jié)合實際礦井檢測，如圖15所示，窄煤柱幫大變形得到控制，煤幫呈整體位移狀態(tài)，無片幫冒頂現(xiàn)象發(fā)生，支護體支護效果良好，巷道穩(wěn)定性較好，可以滿足工作面的正?；夭伞?/p>

圖14 巷道圍巖變形量

圖15 巷道圍巖控制效果

7 結(jié) 論

1)分層開采中下分層首采面巷道圍巖破壞主要由應力集中引起；接續(xù)工作面回采巷道失穩(wěn)主要由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成，煤柱由于受到多次回采擾動的影響，煤柱塑性破壞嚴重，是造成圍巖失穩(wěn)的內(nèi)在因素。

2)采動應力疊加、支承應力增大以及覆巖結(jié)構(gòu)的不對稱性，煤柱偏載作用顯著，局部受載增大，巷道圍巖變形呈現(xiàn)非對稱性，窄煤柱及頂板局部變形顯著，是巷道圍巖控制的重點。

3)基于巷道失穩(wěn)機理，提出“封閉煤柱、區(qū)別對待”的支護思路，即對塑性發(fā)育的煤柱表面噴漿、內(nèi)部注漿，提高煤柱強度，增加錨桿錨索錨固效果，在巷道頂板采用木支柱或單體液壓支柱加強支承力，煤柱幫通過錨索補強加固。

4)窄煤柱巷道在服務期間現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，采用“封閉煤柱、區(qū)別對待”的控制思路后，巷道圍巖變形得到了有效控制，穩(wěn)定性較好，滿足回采需求。