煤与瓦斯突出矿井沿空掘巷布置及优化研究

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　　摘  要：沿空巷道护巷煤柱尺寸关乎巷道围岩的稳定。通过数值计算手段，分析了不同煤柱宽度条件下巷道围岩应力场、位移场和塑性区的演化规律，并用现场试验检验了回采期间煤柱的受力状态和稳定性。研究表明，煤柱尺寸越小，煤柱承载能力越低，巷道塑性区越大，采动应力影响下可能导致煤柱塑性区与相邻工作面采空区贯通。该沿空掘巷布置及优化分析方法和所积累的矿压数据为矿井下一步推广应用沿空掘巷技术提供了技术保障。
　　关健词：煤与瓦斯突出;沿空掘巷;煤柱;矿压显现;数值计算
　　中图分类号：TD32 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）19-0109-02
　　Abstract： The coal pillar size of roadway protection is related to the stability of roadway surrounding rock. By means of numerical calculation， the evolution rules of stress field， displacement field and plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar widths are analyzed， and the stress state and stability of coal pillar during stoping are tested by field test. The results show that the smaller the coal pillar size is， the lower the bearing capacity of coal pillar is， and the larger the plastic zone of roadway is. The layout， optimization analysis method and the accumulated pressure data provide a technical guarantee for the popularization and application of the tunneling technology in the next step.
　　Keywords： coal and gas outburst; roadway driving along goaf; coal pillar; underground pressure; numerical calculation
　　沿空掘巷巷道的布置形式，可分为完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留较宽煤柱沿空掘巷和原位沿空掘巷等[1]。在沿空掘巷技术的发展过程中，锚杆支护的应用为沿空掘巷的普及做出了巨大的贡献[2]。对岩层结构力学模型、围岩变形机理、计算机数值模拟等方面的研究，也为各种形式沿空巷道的布置打下了坚实的基础。后来，人们认识到对于沿空巷道的掘进时间及掘进位置的确定是影响巷道围岩控制效果的一个重要因素，并开始注重相关方面的研究。特别是对于留窄煤柱护巷，因其不但可以提高回采率，而且还有利于控制围岩变形，所以一直是学者研究的重点[3-5]。现有的研究成果表明，不同宽度的窄煤柱对巷道围岩稳定性的影响程度是不一样的，影响因素主要包含两点：一是影响到巷道围岩的应力环境，改变了围岩的应力分布;二是影响到巷道围岩的变形特征与规律。国内外学者为此做了大量的研究工作，并且取得了丰富的理论成果[7-8]，但对于一些特殊条件下的沿空掘巷研究还存在理论研究不够完善、案例研究不够丰富、实践相对较少的不足。如，对于煤层群沿空巷道的布置和优化、巷道受重复动压影响的稳定性、高瓦斯矿井的巷道防漏风问题等的研究还存在不足。
　　1 工作面概况
　　沙曲一号煤矿现采4号煤深度近500m，巷道受地应力、上区段动压影响、复杂地质构造等影响，围岩节理裂隙十分发育、松散破碎、变形剧烈、破坏范围大，巷道支护难度大;4、5号煤层間距平均仅为4.5m，4号煤平均厚度4.2m，五号煤平均厚度3.6m，属于典型的厚煤层近距离煤层群，采场开采、巷道布置等存在干扰。
　　4305工作面北面为4306采空区，东距矿界50m，南部为未采区，西侧为原4305采空区。现4305工作面胶带巷与4306工作面采空区间的护巷煤柱需要进行确定和优化。工作面煤层厚度范围为3.9-4.2m，平均为4.1m。工作面地质构造简单，基本呈单斜构造，煤层倾角为7°。工作面采用倾斜长壁后退式采煤法，综采一次采全高。工作面倾向布置，走向长度为174m，可采平均长度为396m。工作面煤层较稳定，局部含泥岩夹矸，4#煤呈黑色，玻璃光泽，结构均一，内生裂隙发育，抗压强度为10.50-14.77MPa。
　　根据工作面邻近钻孔资料分析，4#煤层向上距离2#煤层平均为20.0m，向下距离5#煤层平均为4.5m，其中2#煤平均厚度为0.8m，5#煤平均厚度为3.6m。工作面伪顶不发育，局部有厚度为0.2m的泥岩，4#煤层直接顶为灰色中细砂岩，厚度为5.0m左右，老顶为5.5m左右的粗砂岩，再上为9.0m左右的黑色泥岩。4#煤层直接底为2m灰色中砂岩，有团块状黄铁矿，老底为2.5m左右的砂质泥岩，再下为5#煤层伪顶，厚度为0.6m的炭质泥岩。
　　2 煤柱宽度计算及优化
　　结合矿井现有矿压资料，针对4305胶带巷护巷煤柱尺寸提出5m、8m和15m三个备选方案，通过数值计算方法进行方案的优选。
　　根据4305工作面实际地质条件，建立模型尺寸420m×200m×160m，单元总数为457760。其中煤与各岩层的厚度分别为，顶板100m，煤层4m，底板56m。模型中工作面左侧为4306工作面采空区长100m，中间为煤柱和4305沿空巷道，巷道尺寸为4.6m×4.2m，4305工作面长180m，模型上边界施加边界载荷p=10MPa以模拟上覆岩层自重，模型其他三个边界均为位移约束。 　　 巷道围岩及煤体参数包括密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角、剪胀角以及抗拉强度，如表1所示。
　　支护参数方面，锚杆参数为弹性模量200GPa、树脂剪切刚度1.0×104MN/m2、树脂粘结力1.0MN/m、抗拉强度0.16MN，锚杆截面积3.84×10-4m2。锚索参数为弹性模量200GPa、树脂剪切刚度1.0×104MN/m2、树脂粘结力2.3MN/m、抗拉强度0.16MN，锚索截面积3.73×10-4m2。
　　结合矿井实际地质条件，模拟回采巷道在掘进和回采阶段巷道表面位移、围岩塑性区以及工作面区域应力场的变化情况，根据数值模拟的计算结果分析巷道支护效果，进一步优化巷道支护设计。
　　3 回采阶段不同煤柱宽度下的围岩变形特征
　　（1）回采阶段巷道应力场分布。4305工作面开采时工作面前方以及两侧形成应力集中区，受应力集中区影响，巷道发生变形和破坏，分析工作面回采时超前巷道区域应力得出，随着煤柱宽度逐渐减小，煤柱应力集中程度逐渐增大，峰值系数由1.53增大至2.49，峰值区域不断靠近巷道位置，对巷道造成挤压。其中煤柱宽度5m，巷道应力峰值距巷道左帮2m，煤柱宽度8m和15m，巷道应力峰值距巷道左帮5m。巷道回采过程中煤柱宽度越小，受到的应力集中影响越明显，但是在煤柱8m时应力集中系数和范围与煤柱15m相比较，变化较小，应力集中系数分別为1.8和1.5，峰值位置靠近4305工作面。（2）回采阶段巷道塑性区分布。巷道围岩塑性区的发展状况，是巷道变形破坏的决定因素，也是支护成功与否的关键因素，为了便于说明问题，断面为研究对象，该断面围岩塑性区最终形态，分析后得出煤柱宽度5m，巷道塑性区扩展，顶部最大值约4m，底部最大值约1.5m，两帮最大值约4m，煤柱塑形区域与4306工作面采空区贯通，煤柱失去承载能力。煤柱宽度8m，巷道塑性区顶部位置最大值约0.5m，底部最大值约1.5m，两帮最大值约4m，煤柱中间仍保持弹性状态。煤柱宽度15m，巷道塑性区在巷道顶部最大值约1m，底部最大值约1.5m，两帮最大值约3m，煤柱保持稳定性，巷道保存稳定。
　　煤柱宽度5m，巷道塑性区较大，回采阶段煤柱塑形区域与4306工作面采空区贯通，失去承载能力，导致巷道产生大变形，不利于巷道稳定;煤柱宽度8m，巷道在回采阶段塑形向4306采空区扩展，煤柱中间仍保持弹性状态，巷道变形量能够控制。煤柱宽度15m，巷道塑性区最小，巷道在回采阶段变形量最小，稳定性最好。
　　综合以上分析，巷道掘进期间，煤柱宽度效应对巷道变形影响较小，掘进过程中巷道变形量可控，但煤柱区域应力和塑形区范围随煤柱变窄而增大，尤其在留设煤柱5m时，煤柱塑形区贯通4306采空区不利于巷道稳定。回采阶段，留设的5m煤柱完全破坏，失去承载能力，导致巷道产生大变形，不利于巷道稳定;留设煤柱宽度8m，煤柱中间仍保持弹性状态，受力较为均衡，巷道变形量得到有效控制，留设煤柱宽度15m相比于留设5m、8m煤柱，留设煤柱宽度较大，4306采空区侧向应力在煤柱侧应力集中影响较小，巷道塑性区较小，巷道在回采阶段变形量最小，但是考虑煤炭资源的不可再生，提高煤炭资源的回收利用，4305工作面沿空掘巷选用8m煤柱较为合理，可以有效控制巷道变形，保障工作面安全回采，同时降低煤炭资源的浪费，提高煤炭资源回收率。
　　4 煤柱受力性能现场试验
　　在巷道内设置了3个煤柱应力监测站，利用钻孔应力分别监测深度为1m、3m、5m位置的应力变化。
　　以1#测站为例，煤柱1m处传感器初始安装应力1.03MPa，稳定后为1.09MPa;煤柱3m处传感器初始安装应力0.62MPa，稳定后为0.48MPa;煤柱5m处传感器初始安装应力1.37MPa，稳定后为1.98MPa。通过上述各个测点数据的变化可以看出，5m测点位置压力变化比较明显，可以认为该处为煤柱内的应力集中峰值区域。
　　回采期间煤柱支承压力监测发现，工作面超前影响距离约30m，测点压力变化浮动较小，总体呈下降趋势，最大应力值小于3MPa，煤柱处于稳定状态。
　　5 结束语
　　（1）针对煤与瓦斯突出矿井，沿空掘巷护巷煤柱宽度的确定应遵循有利于巷道围岩稳定、有利于下层煤巷道的矿压管理、提高回采率、保证巷道密闭性的原则。（2）分析了4305工作面与4306采空区留设5m、8m、15m煤柱对应工作面巷道掘进及回采期间的变形及破坏规律，通过分析不同煤柱宽度下的垂直应力、巷道变形量以及塑性区的分布，认为选用8m煤柱较为合理。（3）巷道掘进和工作面回采期间的煤柱应力监测结果显示，4-5m区域为煤柱内的应力集中区域，巷道掘进对煤柱的扰动较小，回采期间煤柱应力总体呈下降趋势，最大应力值小于3MPa，煤柱性能稳定。
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