不同宽度区段煤柱巷道围岩结构及变形机理研究

师培俊

【摘 要】 在不同宽度区段内，对综放工作面回采巷道的围岩结构特征及其变形破坏进行研究具有重大的理论意义和实际应用价值，如它可以提高回采率、减少成本、确保矿井的安全生产等。研究不同宽度区段内煤柱巷道围岩结构及变形机理也是煤矿支护中的关键任务。本文通过对不同煤柱宽度情况下巷道力学特性的分析，来分析巷道的围岩结构，以此得到煤柱巷道围岩变形破坏的机理。

【关键词】 煤柱巷道；围岩结构特征；变形机理；支护

前言

煤炭作为我国的重要能源，在社会生产和人民生活中占有着重要的地位。我国煤炭资源目前的形势是总体储量大、资源丰富，但是巷道所在地层的开采条件十分复杂，地层的特点也各种各样，所以很难对巷道进行开掘。因此，正确理解煤柱巷道围岩的结构和破坏机理，能够有效地领悟巷道支护理论，并且选取合理的支护方案，来降低开采煤矿的成本以及保证生产的安全性。

1 研究的原理及意义

1.1 研究的意义

我国研究巷道围岩结构及变形机理的历史悠久，尤其是在最近五十年期间，随着人民经济水平的提高和科技的快速进步，我国对不同宽度区段内煤柱巷道围岩的结构及变形机理的研究和控制方面取得了较高的成就，也吸引了众多国外领域人士前来瞻仰。很多地质工作者在这个领域不断的进行研究探索，通过各种形式的试验、理论研究等等，均取得了较为丰硕的研究成果。目前，煤柱巷道围岩结构及变形机理研究成果主要有：越来越贴近实际地理解并认识了回采巷道的矿压特征；越来越全面并完善的掌握了煤柱巷道围岩与支护作用之间的相互关系。因此，研究不同宽度区段煤柱巷道围岩结构及变形机理，有利于对巷道进行维护，降低生产成本，减少煤矿的损失率，也对提高综合开采效率和采区回采率有着十分重要的意义。

1.2 研究方法

本文首先运用弹性力学、岩石力学建立理论结构力学研究模型，得到在不同工作面上不同宽度区段煤柱巷道围岩与支护系统的动态演化规律，再使用数值模拟的方法研究它在时间和空间上的联系，然后再通过现场监测、室内实验的方法进行巷道稳定性分析并得出结论。

2 不同宽度区段煤柱巷道力学性质分析

2.1 不同宽度煤柱围岩结构特征

要想对回采巷道进行必要的控制，需要正确的认识其矿压规律和稳定性特征，那么就首先要求我们理解围岩的结构特性及围岩的赋存特征即力学几何特性。在不同地层上，回采巷道的极限强度和变化量等特性也不尽相同，有时可能千差万别。但是，这些不同在强度和变形状态的宏观方面却又表现出惊人的一致性。依据前人的研究成果可知：回采巷道围岩的三轴抗压强度大于单轴抗压强度，单轴抗压强度又大于纯剪强度，纯剪强度又大于抗拉强度。煤层如果形成的时间不同或者所含的矿物成分有差别时，那么这些岩层在力学特性和几何特性等方面表现出来的状态也会不同。如此可见，必须系统而全面的分析好煤柱围岩的结构，才能充分理解回采巷道的矿压显现规律。

2.2 不同区段煤柱巷道围岩结构特征

若巷道两边都是没有采过的煤层时，因为岩层中只有一小部分被挖掘，所以巷道围岩被影响的范圍也比较窄。围岩的破坏地点具有对称特性，围岩矿压特征大部分受采动影响和掘进的影响，但是不会破坏到老顶的岩层。

如果巷道围岩的结构为一侧已被采空的类型，由于采空区边界对应的岩层岩性和支持条件不同，各个岩层的下沉程度也会有所差异，这样就会造成在弯曲变形过程中出现分层间的部分离析现象。又由于每个岩层呈现出彼此独立的弯曲变形，所以层与层之间会出现相对的错位或错位的趋势，这样便会导致层间的滑动阻力出现。

这两种煤柱巷道的围岩结构的最终形态大致相同，但是它们巷道支护所承受的载荷变化还有变化的情形却大大不同。煤体-煤柱巷道的围岩破坏情况和煤柱的大小有关系，当煤柱足够大的时候，采空区与巷道围岩的破碎区中断。相反，如果煤柱特别小时，采空区与巷道围岩的破碎区相互连接，形成不同形状的破碎带。煤体-采空区巷道与煤体-煤柱巷道的情况类似，它们具有一致的最终形态但是它们的围岩以及所承受的载荷变化以及变化情形却大大不同。

2.3 区段煤柱变形破坏机理分析

普通综采面和综放面得采场矿压相比，综放面的矿压对老顶围岩的影响大于普采，因为综采一次性的采高比较大。所以，综放面在倾斜方向的支撑压力比普采面得影响范围大。总体来看，区段煤柱的变形情况呈现出多样性，因为煤层本身的性质差异。在侧向支撑压力的作用下，区段煤柱破坏和纯轴压缩实验相像，加载方式为给定的变形控制加载方式。侧向断裂位置和煤壁的距离影响老顶的断裂深度，侧向支撑压力越明显煤柱变形越大。这样使得使用小区段煤柱护巷带来一定的难度，否则煤柱的变形也就比较缓和。

2.4 不同宽度区段煤柱巷道围岩边界条件

在服务期内，区段回采巷道都要受到掘进、回采和时间等因素的影响，根据区段回采的准备系统，区段巷道根据巷道和采空区的相对位置可以分为三种布置方式：煤体-煤体巷道、煤体-煤柱巷道、煤体-采空区巷道。关键层理论指出，在煤系岩层中，由于成岩时间和成岩矿物成分有差异，岩层的厚度和力学几何特性等方面也有着一定的差别。破裂岩石上的载荷可以大致认为岩石自重以及关键层之间对应区域软弱岩层的重量之和。

3 数值模拟法在确定煤柱宽度的应用

目前，数值模拟法主要有限差分法、限元法和离散元法等用来确定综放工作面煤柱宽度的确定。陈忠辉曾经对山西大同矿务局某矿使用FLAC软件对放顶煤三维煤场做了全面的研究，从而得到了三维模型的应力变形以及单元破坏数值分析的结果。他认为支撑压力具有明显的分区特性在综放采煤过程中。

同样，张满贤等人采用岩土工程结果弹塑性非线性有限元分析FEVP 2程序，对煤矿综放面建立了煤柱计算数值模拟模型。他认为煤柱宽度对巷道围岩的变形影响颇深，一般情况下巷道围岩的变形会随着煤柱宽度的变大而减小；煤柱的稳定性随着煤柱宽度的变小而变好，且煤柱的支撑压力叠加程度变高；煤柱的弹性核只有在煤柱宽度大于20m时才会形成，并且弹性核会在应力集中系数增加的时候消失。

张金亮采用针对非连续介质模型的离散元数值计算程序UDEC3.0计算出了采空区上部侧向支撑应力的分布特征和规律。还根据这一演化规律，在综合考虑了煤层内部因素的前提下选择不同应力条件下的煤柱宽度来分析不同宽度煤柱的变形情况，进而得出了在这个地质条件下的煤柱宽度范围值。

4 结论

本文针对三种不同的巷道布置方式和布置地点将巷道分为煤体-煤体巷道、煤体-煤柱巷道、煤体-采空区巷道，运用理论力学分析、数值模拟和室内实验三种研究方法，介绍了三种巷道围岩的结构特性和变形状态，分析了其受力条件和移动位移量，并据此总结了不同宽度区段煤柱巷道围岩结构以及变形机理。除此之外，还研究了巷道围岩边界条件对巷道围岩变形破坏产生的影响，并通过数值模拟的方法系统地分析了围岩采动变形和煤柱破坏的变化规律，以及不同煤柱宽度产生的影响因素。可知，受干扰最小的巷道为岩层中掘进的巷道，它的受力条件也比较稳定，因此要保护好围岩的完整性来使之减小周边围岩对其的干扰性。最容易受到破坏的煤体为护巷煤柱两侧煤体，特别是位于上区段采空区两侧的煤体，很容易受到回采扰动且难以维持稳定的状态。

由于煤炭地质条件复杂、开采条件各异，煤炭综放工作面回采过程中不同宽度区段煤体围岩稳定性评价、结构、变形机理、破坏规律及其研究成为科学研究的重要问题。对不同宽度区段煤柱巷道围岩结构及其变形机理研究占有重要的理论价值和实际应用意义。由于本文作者水平有限，问题复杂，具体工程还应考虑许多影响因素，以降低支护的成本，控制围岩变形，提高经济效益。

参考文献

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