孤岛工作面窄煤柱沿空巷道支护技术研究

王 威 王福海 王庆牛 陈 康 聂建伟 葛齐远

(1.安徽省煤炭科学研究院；2.淮南矿业集团)

·安全·环保·

孤岛工作面窄煤柱沿空巷道支护技术研究

王 威1王福海1王庆牛1陈 康1聂建伟1葛齐远2

(1.安徽省煤炭科学研究院；2.淮南矿业集团)

根据张集煤矿1112(3)孤岛工作面煤层赋存条件，为保障该工作面顶板回采安全，针对试验巷道U型棚段不同变形情况采用了不同加固支护参数，建立3种工况的力学模型，进行了应力、位移和塑性区分析。结果表明，巷道总体变形在合理范围内，局部稍加卧底即能满足安全生产要求。

孤岛工作面 力学模型 注浆锚索 塑性区

近年来，我国煤矿开采深度逐年增加，为了避免连续工作面之间的干扰，满足安全开采的需要，各大矿区都普遍存在着孤岛工作面开采的问题。孤岛工作面上下两巷均为窄煤柱[1]沿空巷道，窄煤柱受上区段采空区侧向支承压力的影响，强度低、承载能力小，在本工作面的采动影响下发生变形破坏，将支承压力大部分转移到实体煤帮，使实体煤帮的变形急剧增大，围岩变形难以控制，局部变形严重区段不仅要刷帮、卧底，甚至需要挑顶，不仅影响皮带运输，而且也对工作面安全生产造成较大隐患。为保证工作面的正常使用，模拟了工作面的力学状态，为煤矿安全开采提供保障。

1 张集煤矿1112(3)综采面

张集煤矿1112(3)综采面位于-600 m水平东一采区，该面西邻1111(3)工作面采空区，东邻1113(3)工作面采空区，南至东翼系统大巷，北至采区边界F217断层，该面下部为1111(1)工作面采空区和1112(1)工作面采空区。1112(3)综采面标高为-496～-560 m，地面标高+18.2～+21.3 m，该面运输顺槽设计工程量为2 230 m，轨道顺槽设计工程量为2 154 m，切眼设计工程量为200 m。该面13-1煤层厚2.21～5.4 m，平均为3.81 m，倾角为3°～8°。

2 1112(3)孤岛工作面力学状态计算模拟

2.1 建立计算模型

采用美国Itasca Consulting Group Inc.开发的离散元软件UDEC4.0(Universal Distinct lement Code 4.0)，以1112(3)孤岛工作面运输顺槽为例进行模拟计算。模型宽500 m，高250 m，其中包括面长200 m的工作面、巷道以及两侧边界。模型包括2个煤层，分别为13，11槽煤，两煤层平均间距为78 m，煤柱宽8 m。模型两侧限制水平方向移动，底边限制水平方向和垂直方向移动，模型上表面为应力边界，破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则，图1为1112(3)孤岛面轨、运顺力学模型示意图。

图1 1112(3)运输顺槽力学模型示意

2.2 计算模型模拟方案

1112(3)孤岛面运输顺槽沿空巷道[2]架棚段为拱形断面，根据巷道围岩的破坏状况，分别采取以下3种加固方式。

(1)工况Ⅰ(巷道均匀收缩区段)。煤柱侧帮及煤柱侧帮肩窝采用注浆锚索加固，工作面侧帮采用锚杆加固。煤柱侧帮注浆锚索采用“1-0”布置，规格为φ22 mm×4 300 mm；煤柱侧帮肩窝注浆锚索也采用“1-0”布置，注浆锚索规格为φ22 mm×7 300 mm；工作面侧帮锚杆采用 “3-3”布置，通过废旧皮带组合为一体，加固锚杆规格为φ22 mm×2 500 mm。

(2)工况Ⅱ(巷道矿压显现剧烈区段，棚梁压弯变平)。该区段除工作面侧帮和煤柱侧帮加固方式同U型棚均匀收缩区段一样外，顶板采用工字钢梁组合锚索加固，共布置3排长4.5 m的11#矿工钢梁组合锚索。每根工字钢梁上共布置4根锚索，锚索规格为φ22 mm×7 300 mm，相邻工字钢梁上的锚索呈交错布置。

(3)工况Ⅲ(顶压显现剧烈区段)。该区段顶板加固方案与工况Ⅱ相同。

2.3 模拟计算结果分析

2.3.1 应力分析

图2～图4分别为运顺工况Ⅰ、工况Ⅱ及工况Ⅲ周边垂直应力分布云图及顶底板、两帮垂直应力曲线图。由图中可以看出，各工况下巷道周边垂直应力分布情况大致相同。在巷道左帮煤柱与右帮煤体一定深处围岩中产生应力集中，由于巷道开挖扰动围岩，在巷道顶底板一定范围内为卸压区，此区域内垂直应力降低。

图2 运顺各工况垂直应力云图

图3 两帮煤柱及煤体内垂直应力曲线

图4 顶底板岩层内垂直应力曲线

由以上各图可知，在1112(3)孤岛面运顺3种工况下，巷道两帮与顶底板垂直应力在形态上基本相似。巷道两帮垂直应力峰值均在距巷道边缘4 m处，左帮煤柱侧工况Ⅰ、工况Ⅱ及工况Ⅲ垂直应力峰值分别为28.23,27.8,27.1 MPa，右帮实体煤侧工况Ⅰ、工况Ⅱ及工况Ⅲ垂直应力峰值分别为28.12,28.53,27.82 MPa。3种工况下巷道两帮4 m范围内应力变化明显，受巷道开挖扰动影响严重，右帮4～30 m为应力增高区，30 m以外为原岩应力区。在巷道顶底板岩层中，巷道底板7 m范围内垂直应力变化较大，为卸压状态，底板7～18 m垂直应力变化趋缓，18 m以外垂直应力变化较小；巷道顶板6 m范围内垂直应力变化较大，呈卸压状态，在顶板6～32 m垂直应力呈振荡变化，其主要原因可能为巷道开挖使顶板岩层卸压或产生裂隙离层，在顶板32 m以外垂直应力变化较小。

2.3.2 位移分析

图5、图6分别为1112(3)孤岛工作面运顺在3种工况加固条件下垂直位移云图与水平位移云图。

图5 各工况巷道垂直位移云图

图6 各工况巷道水平位移云图

在3种工况加固条件下，1112(3)孤岛工作面运顺巷道左帮煤柱侧变形大于右帮实体侧，表明工作面回采前巷道左帮煤柱受采动影响较右帮实体侧大。由于工况Ⅰ顶板没有加固，所以工况Ⅰ比工况Ⅱ和工况Ⅲ顶板下沉量稍大，表明在巷道顶板布置加固锚索加强支护起到了较好的效果。工况Ⅱ与工况Ⅲ相比，不仅两帮变形明显降低，而且巷道顶板下沉及底板鼓出量明显减小，表明两帮加固能较好地控制巷道变形。3种加固工况条件下工况Ⅱ总体变形最小，表明对不同岩性条件采取针对性加固措施，以适应地质条件变化，能达到较好的支护效果。

2.3.3 塑性区分析

工作面回采与巷道开挖都对周边围岩产生扰动，导致围岩变形破坏等，在围岩中会形成一定范围的塑性区分布。由图7可以看出，工况Ⅰ巷道左帮与底板处出现拉破坏点域，工况Ⅱ、工况Ⅲ巷道表面未出现拉破坏点域；3种工况下左帮煤柱侧塑性区范围较右帮大，说明左帮受上区段采动影响较右帮明显；工况Ⅰ顶板围岩进入屈服状态的点域较工况Ⅱ、工况Ⅲ多一些，表明工况Ⅱ、工况Ⅲ在巷道拱顶与右肩窝处布置锚索支护起到了一定的作用。

图7 各工况巷道塑性区分布

3 结 论

通过对张集矿1112(3)运顺U型段的试验，分析其地质力学条件、3种工况数值模型的应力、位移和塑性区，得出以下结论：

(1)3种工况条件下，工况Ⅰ煤柱侧帮(左帮)变形最大，为432 mm；工况Ⅲ右帮变形最大，为236 mm；工况Ⅰ顶板下沉量最大，为341 mm；工况Ⅲ底鼓量最大，为405 mm。总体而言，工况Ⅱ整体变形最小。

(2)针对试验巷道的不同情况，分区段采用不同的支护方式，巷道总体变形在合理范围内，局部稍加卧底即能满足安全生产要求。说明针对不同地质条件区段采用相应的加固技术参数能达到较好的支护效果，为工作面回采顶板安全提供了理论依据。

[1] 秦宝华，周 钢，赵国庆，等.深部沿空巷道窄煤柱合理宽度确定[J].矿业研究与开发，2014(7)：93-95.

[2] 陈舰艇，陈建星，杨盼杰，等.赵固二矿沿空巷道围岩控制数值模拟研究[J].现代矿业，2013(11)：103-105.

Research on the Supporting Technology of Gob-side Entry of Narrow Coal Pillar of Isolated Island Working Face

Wang Wei1Wang Fuhai1Wang Qingniu1Chen Kang1Nie Jianwei1Ge Qiyuan2

(1. Anhui Province Coal Science Research Institute; 2. Huainan Coal Mining Co., Ltd.)

According to the coal seam occurrence conditions of the 1112(3) isolated island working face in Zhangji coal mine, in order to ensure the security of the mining face roof, different supporting parameters are used based on different deformation conditions of the U-type tent period of the experimental roadway. Mechanical models under three kinds of working conditions are established, and the stress, displacement and plastic zone are analyzed in depth. The results show that, the overall deformation of roadway is in a reasonable range, it can satisfy the requirements of safety production by local restorat on of roadury floor.

Isolated island,Mechanical model,Grouting anchor cable,Plastic zone

2014-11-17)

王 威(1982—)，男，硕士，230001 安徽省合肥市宣城路81号。