蘇耀杰，張曉東，高云峰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦 山西 大同 037000）

1 背景

從礦井的開拓、巷道布置以及延長礦井服務(wù)年限考慮，工作面布置需保留一部分煤柱，用以支撐上覆巖層[1，2]。煤柱寬度對(duì)維持采場圍巖穩(wěn)定的重要性越來越突出，選擇較小的煤柱寬度在保證安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，亦能減少煤炭資源額的浪費(fèi)，提高礦井總體經(jīng)濟(jì)效益[3，4]。隨著各種復(fù)雜條件下巷道圍巖控制技術(shù)和支護(hù)技術(shù)水平的提高，保證了沿空巷道在掘進(jìn)和回采過程中的穩(wěn)定性，能夠保證礦井安全生產(chǎn)[5]。大采高小煤柱工作面在回采期間巷道圍巖變形較大，為工作面回采增加了困難。特別是大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板條件下，由于上覆頂板難以垮落，對(duì)于留設(shè)的煤柱和巷道壓力較大，導(dǎo)致巷道變形劇烈，對(duì)于巷道圍巖變形規(guī)律的研究也就顯得更加重要。

針對(duì)上述難題，在學(xué)習(xí)借鑒前人的研究成果基礎(chǔ)之上，晉華宮礦首次在河南區(qū)域12-2#層301 擴(kuò)區(qū)組織開展了大采高小煤柱工作面回采試驗(yàn)，并對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下大采高工作面臨空小煤柱巷道變形規(guī)律進(jìn)行了研究。

2 工程概況

晉華宮礦河南12-2#層301 擴(kuò)區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層走向北東，傾向北西。12-2#層上覆為7-4#層 8101、8103、8105 采空區(qū)，層間距約 51 m。12-2#層301 擴(kuò)區(qū)水文地質(zhì)條件簡單，該區(qū)域無大的含水層發(fā)育，無小窯井口，掘進(jìn)過程中同層無小窯破壞區(qū)。

12-2#層301擴(kuò)區(qū)共布置大采高小煤柱工作面3個(gè)，分別為 8101、8103、8105 工作面，留設(shè)煤柱寬度為6 m。8103工作面走向長度632 m，傾向長度157 m，傾角5°，厚度5.20 m，平均采高4.5 m，埋深338 m。8103工作面頂板以砂巖與砂質(zhì)頁巖互層為主，屬于堅(jiān)硬頂板類型，底板以砂質(zhì)頁巖、粗砂巖為主。

圖1 巖層柱狀圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 煤柱應(yīng)力變化規(guī)律

以8103工作面的工程地質(zhì)條件為研究基礎(chǔ)，以工作面地質(zhì)說明書綜合鉆孔柱狀圖為基礎(chǔ)，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立數(shù)值模型，模型尺寸為150 m×150 m×40 m，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型示意圖

模型邊界條件為：模型底面限制縱向位移為w=±0.01 m，模型四個(gè)側(cè)面限制橫向位移u=±0.01 m，模型頂部施加8.4 MPa 垂直載荷，模擬上覆338 m 巖層自重，本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型。重點(diǎn)分析8103 工作面臨空巷道（5103 巷）小煤柱內(nèi)部應(yīng)力及巷道超前范圍應(yīng)變分布規(guī)律。根據(jù)晉華宮礦采礦地質(zhì)資料及實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定工作面煤層及各巖土層力學(xué)參數(shù)見表1所示。

表1 晉華宮煤礦巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 煤柱應(yīng)力變化規(guī)律

6 m小煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布圖

由圖3可以得到：

（1）煤柱中垂直、水平應(yīng)力呈單峰值分布。垂直應(yīng)力峰值為13.9 MPa，峰值位置偏離煤柱中心距離約0.7 m，靠近采空區(qū)側(cè)。水平應(yīng)力峰值為8.8 MPa，峰值位置偏離煤柱中心約0.5 m，靠近采空區(qū)側(cè)；

（2）煤柱中垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力；

（3）煤柱中垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力的范圍為1.4 m～4.0 m，由此可見該類地質(zhì)條件下，巷道側(cè)煤柱破壞范圍約為2.0 m，采空區(qū)側(cè)煤柱破壞范圍約為1.4 m。

3.3 臨空巷道位移變化規(guī)律

6 m小煤柱臨空巷道位移分布如圖4所示。

圖4 臨空巷道位移分布圖

由圖4可見：

（1）由于超前采動(dòng)壓力影響，小煤柱圍巖急劇破碎。超前30 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装逡平孔兓黠@，最大值為793 mm。超前40 m 范圍內(nèi)，臨空巷道幫部移近量最為明顯，最大值為1 530 mm。

（2）采用6 m小煤柱護(hù)巷技術(shù)，工作面超前段兩幫移近較頂?shù)装逑鲁粮鼮槊黠@，受影響范圍更大。

4 工程實(shí)踐

4.1 5103巷道支護(hù)

5103 巷道凈寬4.5 m，凈高3.8 m，采用錨索、錨桿聯(lián)合支護(hù)，頂板四排樹脂錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm，間排距為1.0 m×1.0 m；頂板中間三排φ21.8 mm×8 000 mm 恒阻錨索，采用五花布置（3-2-3），排距2.0 m；兩排φ21.8 mm×6 000 mm 錨索，間距1.7 m；兩幫護(hù)幫鋪金屬網(wǎng)，采用兩排錨索、三排錨桿聯(lián)合支護(hù)，上排斜拉錨索規(guī)格φ17.8 mm×6 000 mm，排距為2.4 m；下排錨索規(guī)格φ17.8 mm×4 000 mm，排距為2.4 m；上排錨桿規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm，排距1.2 m；下兩排錨桿規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm，排距1.2 m，間距1.2 m，錨桿均配合W型鋼帶支護(hù)。

圖5 5103巷道支護(hù)示意圖

4.2 現(xiàn)場實(shí)測分析

（1）采用“十字布點(diǎn)”法，在5103巷超前100 m范圍內(nèi)進(jìn)行位移變化觀測。臨空巷道超前100 m范圍內(nèi)寬度及高度變化如圖6、圖7所示。

圖6 臨空巷道超前范圍寬度變化

圖7 臨空巷道超前范圍高度變化

通過“十字布點(diǎn)法”對(duì)臨空巷道表面位移觀測，發(fā)現(xiàn)超前50 m范圍內(nèi)，巷道兩幫變形明顯，現(xiàn)場有炸幫、網(wǎng)包現(xiàn)象兩幫最大移近量約1.0 m。超前40 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装逡平孔蠲黠@，現(xiàn)場實(shí)際主要是超前段底鼓嚴(yán)重，超前10 m～20 m范圍底鼓最大量為0.5 m。

（2）順槽超前范圍頂板、工作面幫、煤柱幫布置錨桿（索）測力計(jì)，錨桿、錨索測力計(jì)壓力變化如圖8、圖9所示。

圖8 臨空巷道頂板錨索壓力曲線

圖9 臨空巷道煤柱幫錨桿壓力曲線

從圖8、圖9可以看出，工作面回采期間，臨空巷道超前50 m 范圍內(nèi)頂板、兩幫錨桿（索）壓力最大，其他區(qū)域趨于平緩，基本無變化，與初設(shè)預(yù)緊力數(shù)值相當(dāng)。

5 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬分析，小煤柱中應(yīng)力垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力；小煤柱中應(yīng)力呈單峰值分布，峰值位置在煤柱內(nèi)偏向采空區(qū)一側(cè)；在超前采動(dòng)影響下，臨空巷道超前0 m～40 m以內(nèi)受煤柱影響作用明顯；

（2）現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)明，工作面回采期間，臨空巷道超前50 m范圍內(nèi)，巷道網(wǎng)包、底鼓明顯，兩幫移近量大于頂?shù)装逡平?，這進(jìn)一步說明：6 m小煤柱護(hù)巷技術(shù)的關(guān)鍵是煤柱穩(wěn)定性維護(hù)。