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 題正義，潘進(jìn)，田臣，秦洪巖

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧阜新123000；

 2．遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦技術(shù)研究院，遼寧阜新123000）

摘要：針對(duì)神東礦區(qū)大柳塔煤礦采用7.0 m采高綜采面回采5-2煤三盤區(qū)時(shí)回采巷道出現(xiàn)不同程度的變形破壞現(xiàn)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)52304及52303工作面回風(fēng)順槽之間的區(qū)段煤柱進(jìn)行了巷道變形及應(yīng)力變化規(guī)律的監(jiān)測(cè)，并運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同埋深條件下兩工作面之間區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了模擬，最后總結(jié)分析了回采巷道變形破壞的機(jī)理，并得出采空區(qū)段煤柱的失穩(wěn)是造成回采巷道變形破壞的根本原因。從而為巷道的合理布置及相應(yīng)控制對(duì)策的提出提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以保證礦井安全高效的生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：回采巷道；變形破壞；機(jī)理；數(shù)值模擬

O  引言

 作為神東煤炭集團(tuán)首個(gè)開采5 -2煤盤區(qū)并且首個(gè)采用7.0 m支架回采盤區(qū)的大柳塔煤礦。由于對(duì)5-2煤的開采屬于首例，且在煤層地質(zhì)開采條件方面與以往所開采的上覆煤層存在著一定的差異：賦存條件復(fù)雜，開采深度增加，開采煤厚增大等。同時(shí)與一般采高綜采面相比7.0 m特大采高綜采面在覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律上有其特殊性，所以其回采巷道的變形破壞更加復(fù)雜。因此，在沒有經(jīng)驗(yàn)借鑒的情況下，揭示此類巷道變形破壞的機(jī)理是確保礦井安全生產(chǎn)的前提和關(guān)鍵。目前，許多學(xué)者針對(duì)各種條件下工作面回采巷道變形破壞機(jī)理以及區(qū)段煤柱的合理尺寸進(jìn)行了大量研究，然而對(duì)于回采巷道變形破壞與區(qū)段煤柱之間存在的關(guān)系的研究仍很缺乏，尤其是在7．Om特大采高綜采面的開采條件下更是鮮有研究。通過前輩們的研究我們知道，回采巷道的變形破壞與圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境密切相關(guān)，然而巷道的圍巖應(yīng)力狀態(tài)又會(huì)受到許多因素的影響。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上論文主要針對(duì)區(qū)段煤柱失穩(wěn)對(duì)7.0 m特大采高綜采面回采巷道變形破壞影響進(jìn)行研究。

1  工程概況

 大柳塔礦5 -2煤三盤區(qū)是大柳塔井在5-2煤的首采盤區(qū)，52304是該盤區(qū)的首采工作面，52303為52304的接續(xù)工作面。兩個(gè)工作面的煤層厚度均在6.6—7.3 m之間，平均為6.94 m。工作面煤層自切眼至回撤通道均為寬緩坡狀構(gòu)造，埋深在150~270 m之間。由于礦井盤區(qū)內(nèi)各工作面布置時(shí)均采用雙巷掘進(jìn)工藝，因此，將造成52303與52304工作面間的區(qū)段煤柱會(huì)受到兩次采動(dòng)的影響。即52304首先開采時(shí)煤柱處于一側(cè)采空狀態(tài)，煤柱單側(cè)受影響；后52303再次開采時(shí)，煤柱處于兩側(cè)采空狀態(tài)，煤柱兩側(cè)均受影響。由于沒有其他類似條件的礦井可以借鑒，因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)決定留設(shè)20 m寬的區(qū)段煤柱。然而在52304工作面整個(gè)回采過程中，開采對(duì)本工作面回采巷道及鄰近工作面預(yù)掘巷道的變形影響均不大，而后續(xù)52303工作面在毗鄰52304采空區(qū)開采時(shí)，鄰近采空區(qū)一側(cè)的回采巷道（回風(fēng)順槽）則在埋深超過250 m左右的開采范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形破壞現(xiàn)象，巷道底鼓、幫鼓、片幫、頂板大幅下沉等現(xiàn)象普遍發(fā)生，極大的影響了工作面的安全高效生產(chǎn)。

2  現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1  測(cè)點(diǎn)布置及觀測(cè)方案

為了掌握7．Om特大采高綜采面開采情況下，煤柱受采動(dòng)影響后的變形及煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，從而為揭示巷道變形破壞機(jī)理、為合理安排巷道的布置位置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，特對(duì)52304和52303工作面相鄰巷道的變形和煤柱應(yīng)力進(jìn)行了觀測(cè)。其中，煤柱應(yīng)力測(cè)站布置時(shí)，為了能監(jiān)測(cè)到巷道煤柱受一次采動(dòng)和二次采動(dòng)的影響差異，在52303回風(fēng)巷內(nèi)布置了2個(gè)測(cè)站，第一個(gè)測(cè)站距離52304 -2切眼400 m左右；第二個(gè)測(cè)站距離回撤通道200m處，每個(gè)測(cè)站設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，鉆孔由52303回風(fēng)順槽向52304工作面一側(cè)水平鉆進(jìn)，布置于91—92#聯(lián)巷之間的煤柱中，鉆孔間距為Sm，孔口高度距離巷道底板2.0 m，鉆孔直徑42 mm，每個(gè)孔內(nèi)均布置有鉆孔應(yīng)力計(jì)。而巷道變形測(cè)點(diǎn)布置時(shí)，分別在52304回風(fēng)巷和52303回風(fēng)巷中各布置了4個(gè)測(cè)站：第一個(gè)測(cè)站位于初采階段距離52304 -2切眼400 m左右，第二個(gè)測(cè)站距切眼月1350 m處，第三個(gè)測(cè)站位于距回撤通道1213 m處，第四個(gè)測(cè)站距回撤通道200 m。每個(gè)測(cè)站的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)和間距與應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆孔一致，布置位置與應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆孔位置對(duì)齊。各測(cè)站的詳細(xì)布置方案均一致，以初采階段為例，布置方案如圖1(a)、(b)所示。順槽變形觀測(cè)時(shí)采用十字交叉法進(jìn)行，并以巷幫和頂板的錨桿作為固定測(cè)點(diǎn)，主要觀測(cè)巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平�量，用以反映順槽受工作面開采影響的收斂情況。實(shí)際觀測(cè)時(shí)，超前工作面100 m開始，每天觀測(cè)一次，并及時(shí)做好數(shù)據(jù)記錄。

2.2觀測(cè)結(jié)果分析

在對(duì)52304工作面初采階段的巷道變形觀測(cè)過程中，由于2#觀測(cè)點(diǎn)遭到破壞，因此只觀測(cè)到其他3個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。52304工作面回風(fēng)順槽受開采影響的變形曲線如圖2所示。從圖中可以看出，回風(fēng)順槽兩幫超前工作面41.5~61.2 m時(shí)開始變形，最終兩幫移近量3—6mm；而頂?shù)装宄�前工作�?6.3~70.6 m時(shí)即開始變形，最終頂?shù)装逡平��?1~126  mm，巷道變形較小，說明工作面初采階段對(duì)回風(fēng)順槽的超前影響較小，巷道的支護(hù)強(qiáng)度是足夠的。

 同樣，當(dāng)工作面推進(jìn)至第二測(cè)站和第三測(cè)站位置時(shí)，也采取了相同的方法進(jìn)行了巷道的變形實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與初采階段的變形規(guī)律基本一致，巷道變形整體較小，實(shí)測(cè)頂?shù)装逡平�量最�?50 mm，兩幫移近量最大21 mm。

 52303工作面運(yùn)輸順槽及輔助運(yùn)輸順槽在整個(gè)回采過程中受采動(dòng)影響僅出現(xiàn)輕微的片幫現(xiàn)象，實(shí)測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯的巷道變形，其變形規(guī)律與52304工作面開采時(shí)相類似。但回風(fēng)順槽在受兩次采動(dòng)影響的情況下，隨工作面推進(jìn)位置的不同出現(xiàn)了不同程度的底鼓、幫鼓、頂板下沉等變形破壞現(xiàn)象，其詳細(xì)描述如下。

 52303工作面自切眼推進(jìn)至25聯(lián)絡(luò)巷期間(推進(jìn)距0～3 492 m)，巷道整體狀況與運(yùn)輸順槽及輔助運(yùn)輸順槽基本一致。當(dāng)推進(jìn)至25#聯(lián)巷附近(3 500 m)時(shí)，煤層埋深增大至約250 m，回風(fēng)順槽出現(xiàn)了輕微的底鼓現(xiàn)象，底鼓量約為200~ 300 mm，影響范圍超前工作面30 m左右，在回采至21#聯(lián)絡(luò)巷期間未出現(xiàn)幫鼓。當(dāng)工作面由21#聯(lián)絡(luò)巷推進(jìn)至18#聯(lián)絡(luò)巷（推進(jìn)距3 676—3 815 m），此區(qū)間煤層埋深已接近260 m。回風(fēng)順槽超前50~ 60m范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的底鼓及幫鼓現(xiàn)象，其中底鼓量約600~ 800 mm，頂板下沉量約400~ 500 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量最大達(dá)1.2 m；副幫一側(cè)最大變形量達(dá)800 mm。聯(lián)絡(luò)巷口附近底鼓較嚴(yán)重。自18#聯(lián)絡(luò)巷至11#聯(lián)絡(luò)巷回采過程中，埋深進(jìn)一步增大到260~ 270 m。針對(duì)巷道變形，礦方采取機(jī)尾割煤時(shí)降低采高至6.0 m以增加頂煤留設(shè)厚度、加強(qiáng)超前單體支護(hù)密度、巷道正副幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、巷道底板開設(shè)卸壓槽等措施后，巷道底鼓得到一定的控制，但巷道超前頂板仍有約400~ 600 mm的下沉量，巷道幫鼓仍然較大，正幫一側(cè)最大變形量達(dá)1.0 m。

而對(duì)于回風(fēng)順槽區(qū)段煤柱的應(yīng)力觀測(cè)，由于后期礦方對(duì)巷道的封堵等其他原因只監(jiān)測(cè)到了52304工作面初采階段測(cè)站1#鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)的變化（如圖3）。從圖3可以看出，1#鉆孔應(yīng)力于11月30日中班就開始逐步升高，超前工作面距離116 m；而到12月10日早班時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增高速度明顯變大，此時(shí)測(cè)點(diǎn)超前工作面距離為40.2 m；最終，測(cè)點(diǎn)于12月17日中班進(jìn)入采空區(qū)，此后，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力仍持續(xù)上升，最終應(yīng)力達(dá)5. 75 MPa。由于對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足，下面將通過FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)區(qū)段煤柱受采動(dòng)后的應(yīng)力變化情況。

3  區(qū)段煤柱應(yīng)力變化的數(shù)值模擬研究

3.1  數(shù)值模擬模型建立及方案設(shè)計(jì)

采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，主要研究7.0 m支架工作面回采巷道在受一次采動(dòng)和二次采動(dòng)時(shí)區(qū)段煤柱應(yīng)力場(chǎng)的分布及變化規(guī)律；數(shù)值模型建立時(shí)以5 -2煤的開采條件為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)置，并將各巖層進(jìn)行簡(jiǎn)化；模型中設(shè)置2個(gè)工作面，工作面間留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱；模型的幾何尺寸為330 m×300 mX120 m；模型采用位移約束固定邊界，上覆未鋪設(shè)的巖層重量以均布載荷的方式施加在模型頂界面。根據(jù)煤層埋深以及區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的不同，建立如表1所示的4個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。其中，對(duì)于不同埋深的模擬方案，即是通過改變施加在模擬頂界面的均布載荷值大小來實(shí)現(xiàn)。模擬實(shí)驗(yàn)各煤巖層的力學(xué)參數(shù)見表2。

 進(jìn)行模擬時(shí)根據(jù)礦上實(shí)際開采情況先一次全部開挖52304工作面，然后再開挖52303工作面，同時(shí)觀測(cè)兩工作面之間區(qū)段煤柱的應(yīng)力變化規(guī)律。

3.2模擬結(jié)果分析

由不同埋深情況下52304工作面開采后的煤柱應(yīng)力分布情況可知，盡管埋深不斷加大，但僅開采52304工作面時(shí)，區(qū)段煤柱始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，煤柱中部始終存在一定的彈性核區(qū)，因此，在大柳塔井5-2煤三盤區(qū)開采條件下，僅開采單個(gè)工作面時(shí)，20 m的區(qū)段煤柱是能夠滿足鄰近工作面回采巷道維護(hù)需要的。然而，不同埋深條件下開采52303工作面之后區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布如圖4所示。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著埋深的增加，采空區(qū)后方區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布由“馬鞍形”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?#8220;拱形”分布，這說明區(qū)段煤柱中部的彈性核區(qū)逐步減小，穩(wěn)定性逐步降低。當(dāng)開采開采深度達(dá)到250 m時(shí)，采空區(qū)后方兩側(cè)采空煤柱的應(yīng)力分布已轉(zhuǎn)變成為“拱形”分布，說明此時(shí)采空區(qū)后方的煤柱已無實(shí)際支撐承載能力；且隨著采深的增加，工作面超前煤柱所受的應(yīng)力逐漸增大，穩(wěn)定性逐步降低，中部的彈性核區(qū)也大幅減小。這說明，隨著埋深的增加，不僅采空區(qū)后方兩側(cè)采空煤柱內(nèi)的應(yīng)力增大導(dǎo)致逐步失穩(wěn)，而且工作面超前煤柱也會(huì)因后方載荷的向前轉(zhuǎn)移導(dǎo)致應(yīng)力增加而逐步進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，由此將造成回采巷道超前支護(hù)段變形破壞地加劇。

4  影響機(jī)理分析

 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開采情況，當(dāng)52304首先開采時(shí)煤柱處于一側(cè)采空狀態(tài)，煤柱單側(cè)受影響；后續(xù)開采52303時(shí)，煤柱處于兩側(cè)采空狀態(tài)，煤柱兩側(cè)均受影響。由于工作面的采高較大，覆巖垮落及運(yùn)動(dòng)的范圍加大，施加在區(qū)段煤柱上的采動(dòng)集中應(yīng)力較一般采高情況下必然會(huì)有所增大，煤柱的承載能力及穩(wěn)定狀態(tài)也必然會(huì)受到較大的影響。52303工作面后方采空區(qū)區(qū)段煤柱處于兩側(cè)采空狀態(tài)，而工作面超前煤柱則屬于一側(cè)采空狀態(tài)；相比而言，兩側(cè)均為采空區(qū)的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性更易遭到破壞。若工作面開采區(qū)域的埋深較大或煤柱的支護(hù)強(qiáng)度不夠時(shí)，兩側(cè)采空區(qū)段煤柱極易發(fā)生失穩(wěn)，由此將導(dǎo)致施加其上的集中應(yīng)力向前方轉(zhuǎn)移而施加到一側(cè)采空煤柱上，造成區(qū)段煤柱超前支承壓力的進(jìn)一步增大。也正因?yàn)槿绱耍?2303回風(fēng)巷超前支護(hù)段才出現(xiàn)了幫鼓、底鼓、片幫、頂板大幅下沉的強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)。

 綜合以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果可知，工作面鄰近采空區(qū)一側(cè)的回采巷道是否會(huì)發(fā)生變形破壞，主要取決于采空區(qū)后方兩側(cè)采空區(qū)段煤柱是否能保持穩(wěn)定；而區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性又會(huì)受到煤柱上覆載荷和煤柱自身承載能力的影響。其中，煤柱承載能力又與煤柱尺寸和煤體力學(xué)強(qiáng)度特性有關(guān)：煤柱寬厚比越大、煤體力學(xué)強(qiáng)度越高，則區(qū)段煤柱所能承受的載荷越大，又由前節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果可得出：埋深越大施加在區(qū)段煤柱上的載荷越高，自然越不易保持穩(wěn)定。對(duì)于大柳塔煤礦5-2煤三盤區(qū)，工作面間的區(qū)段煤柱寬度普遍設(shè)置為20 m，煤層厚度基本處于6.6~7.3 m，采高也固定為6.5—7．Om。因此，對(duì)該盤區(qū)巷道變形破壞影響的主要因素即為煤層埋深。也正因?yàn)槿绱耍?2303回風(fēng)巷變形破壞的區(qū)域才發(fā)生在末采區(qū)域采深相對(duì)較大的范圍內(nèi)。

5結(jié)論

 1)從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，煤層埋深的增大導(dǎo)致采空區(qū)后方兩側(cè)采空區(qū)段煤柱的失穩(wěn)是造成52303工作面回風(fēng)順槽發(fā)生嚴(yán)重變形破壞的根本原因。采空區(qū)后方區(qū)段煤柱的失穩(wěn)造成上覆載荷前移至工作面超前煤柱，導(dǎo)致該區(qū)域煤柱應(yīng)力增大，引發(fā)底鼓、幫鼓、以及頂板下沉的出現(xiàn)。

 2)對(duì)于大柳塔煤礦5 -2煤7.0 m采高開采條件下，若回采巷道一側(cè)為未開采的實(shí)體煤時(shí)，留設(shè)20 m的區(qū)段煤柱足以保證正常的生產(chǎn)需要；而對(duì)于回采巷道一側(cè)毗鄰采空區(qū)時(shí)，當(dāng)回采至該巷道埋深在231~268 m的區(qū)域時(shí)將會(huì)發(fā)生類似52303工作面回風(fēng)巷的變形破壞現(xiàn)象，此時(shí)，現(xiàn)有的巷道支護(hù)及布置方式將無法滿足正常生產(chǎn)的需要。

 3)根據(jù)5 -2煤三盤區(qū)煤層的埋深及厚度分布情況，可對(duì)后續(xù)回采的52302工作面回風(fēng)順槽（毗鄰52303工作面采空區(qū)）可能發(fā)生變形破壞的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便提前采取應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，也可在巷道布置和支護(hù)方式等方面為其他具有類似開采條件的礦井提供借鑒和參考。