大采高综放小煤柱沿空掘巷围岩稳定性数值模拟研究

彭林军 周光华 宋振骐 王金平 何维胜

(1.大连大学院士创业园，辽宁省大连市，116622；2.国能宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏自治区银川市，750011；3.国能宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏自治区银川市，750011)

近年来,无(小)煤柱巷道在我国取得了较大的发展[1-3]。随着煤矿开采强度和深度的增加，沿空掘巷小煤柱巷道受二次采动动压影响更为剧烈。因此，研究在不同采动条件下，掌握以“岩层运动和支承压力分布”为核心[4-11]，建立其动态结构力学模型,实现由大煤柱护巷的传统开采系统向无(小)煤柱护巷开采体系的变革,是煤矿开采围岩破裂灾变机理及其控制的关键。

我国学者针对采动巷道围岩控制问题，进行了大量的相关研究工作[12-15]，丰富了采动巷道围岩控制理论,解决了大量的小煤柱巷道围岩控制问题；但对于大采高综放开采煤柱尺寸对采动巷道的影响程度以及小煤柱异型巷道产生非均匀大变形的力学本质仍需进一步研究，要为小煤柱巷道找到更加合理的支护方案[16-18]。本文针对羊场湾煤矿小煤柱巷道非均匀大变形控制难题,研究沿空留设6 m小煤柱时，回风巷道围岩塑性区分布形态与应力分布规律以及采场覆岩结构运动特征，揭示了小煤柱巷道非均匀变形的机理，提出具有针对性的控制对策并进行井下试验，对支护效果进行评价。

1 矿井工作面概况

130205工作面位于羊场湾一号井田东部，地形低缓平坦，起伏不大，地表为沙丘覆盖，开采2#煤层，工作面宽度350 m，埋深650 m，煤厚8.2～10.7 m，平均煤厚8.4 m。2#煤层伪顶为炭质泥岩，直接顶为粉砂岩、细砂岩，其上部为中砂岩、细砂岩。

130205风巷开口位于13采区回风下山，机巷开口位于13采区胶运下山，按设计方位349°施工。130205工作面上邻130203工作面(截至2015年1月19日，工作面已回采完毕)，130205风巷与130203机巷原留设35 m保安煤柱；工作面北以F201正断层为界，南侧以13采区井筒保安煤柱为界，130205工作面下部为原始煤层未进行采动，无采掘活动影响工作面掘进。距离130205工作面最近钻孔柱状图为1916#钻孔，如图1所示；1916#钻孔柱状岩石力学参数如表1所示。

图1 130205工作面(1916#)钻孔柱状图

表1 130205工作面(1916#)钻孔岩石力学参数

2 小煤柱沿空掘巷计算模型建立

数值模型中，各层岩体力学参数依据表1取值。模型的前后、左右边界施加水平约束，模型的底边界施加水平及垂直约束，根据模型的几何尺寸划分计算网格，考虑到模型单元总数的限制和对小煤柱沿空巷道围岩应力分析进行区域集中性研究，建立数值模拟模型如图2所示。工作面与风巷数值计算模型如图3所示。

图2 三维数值模型网格图

图3 工作面与风巷数值计算模型

3 风巷围岩稳定性数值模拟分析

3.1 风巷掘进期间稳定性数值模拟分析

由地层变形云图和岩体位移矢量图可以看出，风巷掘进期间，风巷周围岩体变形逐渐增大，尤其是拱顶附近变形值最大，风巷掘进至距开切眼350 m时，风巷附近变形最大值为114.4 mm。拱顶往上延伸，地层变形收敛幅度很快，向岩体内延伸5 m 后，围岩变形基本在10 mm以内。底部最大隆起量约45 mm，由于断面异形，两侧边墙呈现明显的变形不对称分布。掘进期间风巷小煤柱帮最大变形为45 mm，实体煤帮最大变形为158 mm；顶板下沉量为114 mm，底鼓量为75 mm。岩体塑性区分布图见图4。

图4 风巷掘进350 m岩体塑性区分布图

风巷掘进期间岩体垂直应力SZZ(表示岩体最大垂直应力)和水平应力SXX(表示岩体最大水平应力)分布如图5所示。

由图5可知，岩体垂直应力SZZ分布：风巷两帮应力大于顶部和底部，高应力区最大应力33.13 MPa，高应力区边缘距离风巷7 m左右，高应力区核心距离风巷8.5 m左右；岩体水平应力SXX分布， 6 m煤柱在130203工作面帮的顶部SXX应力较大，最大值为19.76 MPa。在现有支护条件下，围岩未出现明显较大的拉应力，风巷整体稳定性较好。

3.2 回采期间围岩稳定性数值模拟分析

130205工作面回采期间三维数值示意图见图6。

3.2.1回采期间工作面超前支承压力分析

对130205工作面回采期间工作面超前支承压力分析如图7所示。

图5 风巷掘进期间岩体应力分布图

图6 工作面数值模型开挖图

回采期间工作面超前煤壁0～4 m为塑性区、低应力区，4～10 m为塑性区、高应力区，10～14 m为应力峰值区，14～50 m为应力高值区、缓降区。回采期间工作面超前支承压力分布如图8所示。

3.2.2 回采期间工作面处围岩应力分布图

回采期间工作面处岩体应力分布见图9。数值计算结果表明，6 m小煤柱中心处SZZ最大，应力值达8.05 MPa；岩体应力SXX主要在6 m小煤柱上部，尤其是靠近130203开采区上部，最大值为23.55 MPa。另外，应力计算表明，现有支护条件下，风巷受二次动压影响，围岩并未出现较大的拉应力区(压应力为负值，拉应力为正值)，6 m小煤帮侧主要受压，只是在小煤柱煤帮出现较小范围的拉应力区，其他部位拉应力仍小于1.0 MPa，这说明现有支护条件下，回采期间工作面处6 m小煤柱能够保持整体稳定性。

图7 回采工作面超前支承压力及塑性区分布图

图8 回采期间工作面超前支承压力分布曲线图

3.2.3 回采期间应力峰值处风巷围岩塑性区

回采期间应力峰值处围岩塑性区分布见图10。由图10可知，靠近巷道实体煤帮回采期间塑性区并未明显扩展，片帮深度约0.3 m。在小煤柱侧帮的剪切和拉伸塑性区深度约0.8 m，回采期间应力峰值处风巷变形计算结果也表明小煤柱侧帮变形较大，最大值为560 mm，因此，回采期间应力峰值处小煤柱侧帮鼓帮深度约0.6 m。

回采期间应力峰值围岩变形趋势见图11。从图11可以看出，风巷不仅仅在实体煤帮和6 m煤柱之间存在相对移近变形，在风巷顶部和6 m煤柱之间也发生了相对变形，如图11(a)箭头所示，风巷顶部和6 m煤柱间夹角会变小，如图11(b)蓝色的圈表示，以夹角为中心，越远离夹角位置的岩体变形趋势会越大。

图9 风巷回采期间岩体应力分布图

回采期间应力峰值处岩体变形位移矢量图见图12。由图12可以看出，随着工作面的推进，回采期间应力峰值处风巷周围岩体变形逐渐增大，6 m小煤柱帮变形明显增大，在靠近小煤柱帮深度2.5 m范围以内，风巷顶底板移近量为730 mm，其中顶板下沉量为460 mm，底鼓量为270 mm。两帮移近量为870 mm，其中小煤柱帮为560 mm，实体煤帮为310 mm。回采期间6 m小煤柱支护结构受力会增大，需要重点对6 m小煤柱进行加固。

图10 回采期间应力峰值处岩体塑性区分布图

图11 回采期间应力峰值围岩变形趋势

3.2.4 回采期间应力峰值处风巷稳定性分析

回采期间工作面处煤层开采岩体塑性区分布图与裂隙发展区域示意图见图12，大采高工作面推进过程中，工作面煤壁在支承压力作用下，沿推进方向在一定范围内产生破坏。

因此，根据煤层开采岩体最大应力云图的分布特点以及相对应的煤层塑性区分布图，计算得到的煤壁片帮情况如下：

(1)130205开采面侧6 m煤壁(图中I区)深度0～2.0 m为拉伸和剪切塑性区，为典型的鼓出形式破坏，在支承压力作用下，煤体自身强度的降低导致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片帮；

(2)130203开采面6 m小煤柱(图中II区)深度0～1.5 m为拉伸和剪切塑性区，在支承压力作用下，煤体自身强度降低导致工作面煤壁外溢，可能造成煤壁的片帮；

(3)风巷实体煤壁(图中III区)深度0～2.5 m和顶部深度范围内，岩体破碎较严重，存在剥落趋势；

(4)6 m小煤柱中心2.0～4.5 m范围内尽管部分煤层进入塑性区，但主要为剪切塑性区，最小主应力为压应力，并不存在片帮，岩体破碎程度不剧烈。

综合分析表明，6 m小煤柱中心处约有1.5 m是非破碎区。

图12 岩体塑性区分布图与裂隙重点发展区域

4 结论

(1)通过数值模拟分析得出，小煤柱风巷岩体塑性区范围为0～10 m，高应力区范围为10～14 m；14～50 m为应力高值区、缓降区。130205沿空巷道区段煤柱留设6 m宽度在塑形区范围内，尺寸合理。

(2)风巷掘进期间顶底板移近量189 mm，两帮移近量203 mm。回采期间工作面峰值处，风巷顶底板移近量730 mm，两帮移近量870 mm。6 m小煤柱中心处约有1.5 m是非破碎区。

(3)区段煤柱应在满足安全生产的前提下，尽量减少煤柱宽度，从而将回采巷道完全布置在应力降低区内，更有利于巷道的维护、煤柱的稳定性，达到安全高效生产。