晋华宫矿大采高工作面临空小煤柱巷道变形规律研究

苏耀杰，张晓东，高云峰

（晋能控股煤业集团晋华宫矿 山西 大同 037000）

1 背景

从矿井的开拓、巷道布置以及延长矿井服务年限考虑，工作面布置需保留一部分煤柱，用以支撑上覆岩层[1，2]。煤柱宽度对维持采场围岩稳定的重要性越来越突出，选择较小的煤柱宽度在保证安全生产的基础上，亦能减少煤炭资源额的浪费，提高矿井总体经济效益[3，4]。随着各种复杂条件下巷道围岩控制技术和支护技术水平的提高，保证了沿空巷道在掘进和回采过程中的稳定性，能够保证矿井安全生产[5]。大采高小煤柱工作面在回采期间巷道围岩变形较大，为工作面回采增加了困难。特别是大同矿区坚硬顶板条件下，由于上覆顶板难以垮落，对于留设的煤柱和巷道压力较大，导致巷道变形剧烈，对于巷道围岩变形规律的研究也就显得更加重要。

针对上述难题，在学习借鉴前人的研究成果基础之上，晋华宫矿首次在河南区域12-2#层301 扩区组织开展了大采高小煤柱工作面回采试验，并对坚硬顶板条件下大采高工作面临空小煤柱巷道变形规律进行了研究。

2 工程概况

晋华宫矿河南12-2#层301 扩区煤层赋存稳定，结构简单，煤层走向北东，倾向北西。12-2#层上覆为7-4#层 8101、8103、8105 采空区，层间距约 51 m。12-2#层301 扩区水文地质条件简单，该区域无大的含水层发育，无小窑井口，掘进过程中同层无小窑破坏区。

12-2#层301扩区共布置大采高小煤柱工作面3个，分别为 8101、8103、8105 工作面，留设煤柱宽度为6 m。8103工作面走向长度632 m，倾向长度157 m，倾角5°，厚度5.20 m，平均采高4.5 m，埋深338 m。8103工作面顶板以砂岩与砂质页岩互层为主，属于坚硬顶板类型，底板以砂质页岩、粗砂岩为主。

图1 岩层柱状图

3 数值模拟分析

3.1 煤柱应力变化规律

以8103工作面的工程地质条件为研究基础，以工作面地质说明书综合钻孔柱状图为基础，采用FLAC3D进行数值模拟分析，建立数值模型，模型尺寸为150 m×150 m×40 m，如图2所示。

图2 数值模型示意图

模型边界条件为：模型底面限制纵向位移为w=±0.01 m，模型四个侧面限制横向位移u=±0.01 m，模型顶部施加8.4 MPa 垂直载荷，模拟上覆338 m 岩层自重，本构模型采用莫尔-库伦模型。重点分析8103 工作面临空巷道（5103 巷）小煤柱内部应力及巷道超前范围应变分布规律。根据晋华宫矿采矿地质资料及实验室岩石力学实验结果，确定工作面煤层及各岩土层力学参数见表1所示。

表1 晋华宫煤矿岩层物理力学参数

3.2 煤柱应力变化规律

6 m小煤柱内部应力分布如图3所示。

图3 煤柱内部应力分布图

由图3可以得到：

（1）煤柱中垂直、水平应力呈单峰值分布。垂直应力峰值为13.9 MPa，峰值位置偏离煤柱中心距离约0.7 m，靠近采空区侧。水平应力峰值为8.8 MPa，峰值位置偏离煤柱中心约0.5 m，靠近采空区侧；

（2）煤柱中垂直应力大于水平应力；

（3）煤柱中垂直应力大于原岩应力的范围为1.4 m～4.0 m，由此可见该类地质条件下，巷道侧煤柱破坏范围约为2.0 m，采空区侧煤柱破坏范围约为1.4 m。

3.3 临空巷道位移变化规律

6 m小煤柱临空巷道位移分布如图4所示。

图4 临空巷道位移分布图

由图4可见：

（1）由于超前采动压力影响，小煤柱围岩急剧破碎。超前30 m 范围内，顶底板移近量变化明显，最大值为793 mm。超前40 m 范围内，临空巷道帮部移近量最为明显，最大值为1 530 mm。

（2）采用6 m小煤柱护巷技术，工作面超前段两帮移近较顶底板下沉更为明显，受影响范围更大。

4 工程实践

4.1 5103巷道支护

5103 巷道净宽4.5 m，净高3.8 m，采用锚索、锚杆联合支护，顶板四排树脂锚杆规格为φ20 mm×2 000 mm，间排距为1.0 m×1.0 m；顶板中间三排φ21.8 mm×8 000 mm 恒阻锚索，采用五花布置（3-2-3），排距2.0 m；两排φ21.8 mm×6 000 mm 锚索，间距1.7 m；两帮护帮铺金属网，采用两排锚索、三排锚杆联合支护，上排斜拉锚索规格φ17.8 mm×6 000 mm，排距为2.4 m；下排锚索规格φ17.8 mm×4 000 mm，排距为2.4 m；上排锚杆规格为φ18 mm×2 000 mm，排距1.2 m；下两排锚杆规格为φ18 mm×1 800 mm，排距1.2 m，间距1.2 m，锚杆均配合W型钢带支护。

图5 5103巷道支护示意图

4.2 现场实测分析

（1）采用“十字布点”法，在5103巷超前100 m范围内进行位移变化观测。临空巷道超前100 m范围内宽度及高度变化如图6、图7所示。

图6 临空巷道超前范围宽度变化

图7 临空巷道超前范围高度变化

通过“十字布点法”对临空巷道表面位移观测，发现超前50 m范围内，巷道两帮变形明显，现场有炸帮、网包现象两帮最大移近量约1.0 m。超前40 m 范围内，顶底板移近量最明显，现场实际主要是超前段底鼓严重，超前10 m～20 m范围底鼓最大量为0.5 m。

（2）顺槽超前范围顶板、工作面帮、煤柱帮布置锚杆（索）测力计，锚杆、锚索测力计压力变化如图8、图9所示。

图8 临空巷道顶板锚索压力曲线

图9 临空巷道煤柱帮锚杆压力曲线

从图8、图9可以看出，工作面回采期间，临空巷道超前50 m 范围内顶板、两帮锚杆（索）压力最大，其他区域趋于平缓，基本无变化，与初设预紧力数值相当。

5 结论

（1）通过数值模拟分析，小煤柱中应力垂直应力大于水平应力；小煤柱中应力呈单峰值分布，峰值位置在煤柱内偏向采空区一侧；在超前采动影响下，临空巷道超前0 m～40 m以内受煤柱影响作用明显；

（2）现场实测数据标明，工作面回采期间，临空巷道超前50 m范围内，巷道网包、底鼓明显，两帮移近量大于顶底板移近量，这进一步说明：6 m小煤柱护巷技术的关键是煤柱稳定性维护。