新集二礦深部沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

周鵬舉 梁國(guó)棟 李紀(jì)寶

（中煤新集能源股份有限公司新集二礦，安徽 淮南 232000）

我國(guó)煤礦地下開采占比超過80%[1]，隨著淺埋煤炭資源不斷開采與枯竭，目前正以每年10～15 m的速度逐漸向深部延伸。受到“三高一擾動(dòng)”的影響，深部工作面礦壓預(yù)測(cè)和防治等問題將長(zhǎng)期存在和更加突出[2]。

采前合理的工作面設(shè)計(jì)是保障安全開采的前提，針對(duì)深部沿空巷道圍巖穩(wěn)定性這一技術(shù)問題，我國(guó)學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等方法[3-4]，對(duì)無煤柱、小煤柱、中大煤柱等不同的工況和條件進(jìn)行了研究[5-6]，成果對(duì)煤柱留設(shè)和圍巖控制具有指導(dǎo)作用。但是深部沿空掘進(jìn)巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的類型和影響因素復(fù)雜、多變，還沒有普遍適用的原理和方法。

中煤新集二礦具有采深大、厚堅(jiān)硬頂板、留設(shè)中等寬度煤柱等典型特點(diǎn)，深部工作面沿空開采過程中潛在“煤柱-頂板”失穩(wěn)的問題，一直困擾著設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。為了保證安全采掘工程，需要提前辨識(shí)深部沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征，并分析掘進(jìn)、回采過程中巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?；诖?，該文以新集二礦深部08 工作面沿空風(fēng)巷為實(shí)際背景，闡釋深部沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征，評(píng)估沿空掘進(jìn)與回采巷道圍巖穩(wěn)定性，形成適用于深部沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)“預(yù)測(cè)-評(píng)估-控制”為核心的方法和技術(shù)，可為相似條件礦井工作面區(qū)段煤柱留設(shè)、礦壓分析等提供借鑒。

1 工程概況

1.1 沿空掘巷條件

新集二礦08 工作面位于二水平1 煤組2301 采區(qū)東翼，為采區(qū)第三個(gè)1上煤工作面。待研究的深部08 工作面風(fēng)巷緊鄰06 采空區(qū)（回采時(shí)間：2022年6 月—2023 年5 月），區(qū)段煤柱寬度為10 m，巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)870 m，斷面寬和高為5.2 m、3.5 m，底板標(biāo)高-653.4～-676.8 m，地面標(biāo)高+13.0～+26.2 m。06 工作面寬度為180 m，平均周期來壓步距15 m。08 工作面風(fēng)巷布置如圖1。

圖1 深部08 風(fēng)巷平面布置（m）

1上煤厚約4.4 m，單軸抗壓強(qiáng)度10～12 MPa。直接頂為厚約5 m 砂質(zhì)泥巖，抗拉強(qiáng)度平均0.7 MPa；基本頂為厚約12 m 中砂巖，抗拉強(qiáng)度平均1.4 MPa；底板為砂質(zhì)泥巖，厚約1.9 m，抗拉強(qiáng)度約0.6 MPa。頂?shù)装逯鶢钚畔⒁姳?。

表1 工作面頂?shù)装逯鶢?/p>

1.2 沿空掘巷關(guān)鍵問題

當(dāng)前主要問題：06 采空區(qū)回采結(jié)束時(shí)間相對(duì)較短，08 工作面風(fēng)巷與06 采空區(qū)之間預(yù)留10 m 中等寬度煤柱，沿空巷道掘進(jìn)過程中必然造成煤柱塑性擴(kuò)展，導(dǎo)致局部承載強(qiáng)度降低。如果煤柱處于“彈-塑”過渡狀態(tài)，具有掘進(jìn)誘發(fā)煤柱彈性破壞和引起頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性，增加巷道維護(hù)和潛在危險(xiǎn)。根據(jù)工程類比，該礦周邊的相似條件礦井深部沿空巷道在掘進(jìn)或回采過程中，均出現(xiàn)了不同程度的巷道破壞和支護(hù)失效等情況。

因此，需要針對(duì)08 工作面風(fēng)巷典型深部沿空巷道圍巖基本條件，預(yù)測(cè)和評(píng)估沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性狀態(tài)，為下一步掘進(jìn)和回采工程提供依據(jù)。

2 08 工作面沿空風(fēng)巷頂板結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 10 m 煤柱彈塑性狀態(tài)

沿空巷道形成后，巷道煤壁受到采掘擾動(dòng)和支承壓力變化影響，從煤壁邊緣到深部，將形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，其中破裂區(qū)和塑性區(qū)稱為極限平衡區(qū)。設(shè)極限平衡區(qū)的寬度L1，彈性區(qū)的寬度L2，計(jì)算公式：

式中：Kd為動(dòng)壓系數(shù)；m 為煤層厚度，m；A為側(cè)壓力系數(shù)；φ為煤體內(nèi)摩擦角，（°）；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為覆巖層平均重度，kN/m3；c為煤體內(nèi)聚力，MPa；β=1/A；f=tanφ'，φ'為煤層與頂?shù)装褰佑|面的內(nèi)摩擦角，（°）。

08 風(fēng)巷實(shí)際埋深約h=700 m，煤層厚度m=4.4 m，煤層內(nèi)摩擦角φ=35.6°，煤層內(nèi)聚力c=0.8 MPa，覆巖層平均容重γ=25 kN/m3，側(cè)壓力系數(shù)A=0.6，應(yīng)力集中系數(shù)取K=1.5～2，動(dòng)壓系數(shù)取Kd=1.2～1.4，β=1/A=1.67，f=tanφ'=tan15°=0.27，計(jì)算結(jié)果L1≈7～9 m，L2=5～9 m。因此，2L1≥10 m，則沿空巷道掘進(jìn)后10 m 區(qū)段煤柱不存在彈性區(qū)分布（即煤柱中間的彈性區(qū)寬度為0），進(jìn)一步分析得到10 m 煤柱整體處于塑性狀態(tài)。

2.2 沿空采空區(qū)基本頂斷裂線位置

06 工作面回采過程中，基本頂周期破斷運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，能夠沿著采空區(qū)邊界形成“側(cè)向斷裂”效應(yīng)。06 采空區(qū)基本頂?shù)臄嗔丫€位于08 工作面實(shí)體煤壁內(nèi)側(cè)，根據(jù)彈性基礎(chǔ)梁力學(xué)模型[7]，可求得基本頂斷裂線與煤壁之間的距離X0：

式中：a和b為基本頂巖梁撓曲變形方程特征解，工程上大致取a=b，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和本礦地質(zhì)條件，近似取a=b=0.18 m-1；M為煤壁位置等效力矩，近似取45 MPa·m；P為煤壁受到剪力，近似取0.5×106N；N為煤壁受到軸力，近似取1.2×106N；t為Winkler 地基經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，近似取500 MPa；EI為基本頂巖梁抗彎剛度，經(jīng)驗(yàn)取1.45×1011N·m2。

通過進(jìn)一步計(jì)算分析，得到06 采空區(qū)基本頂斷裂線相鄰08 工作面煤壁之間的距離為X0≈3.7 m?？紤]煤壁圍巖變形不均、局部頂板厚度和力學(xué)參數(shù)變化，預(yù)計(jì)X0≈3～5 m，平均取X0=4 m。

2.3 沿空采空區(qū)關(guān)鍵巖塊側(cè)向斷裂跨度

06 工作面回采過程中基本頂側(cè)向斷裂跨度大小，主要由06 工作面寬度和周期來壓步距等參數(shù)決定，參考“兩端固支”周期破斷力學(xué)模型的研究結(jié)果[8]，確定06 采空區(qū)基本頂?shù)年P(guān)鍵巖塊側(cè)向斷裂跨度LK（單位：m），表達(dá)式：

式中：S、d分別為沿空工作面寬度和周期來壓步距，m。

根據(jù)相鄰的06 工作面寬度S=180 m、周期來壓步距d=15 m，估算06 采空區(qū)基本頂?shù)年P(guān)鍵巖塊側(cè)向斷裂跨度大小為L(zhǎng)K=16 m，考慮基本頂厚度和力學(xué)參數(shù)變化等，預(yù)計(jì)LK=13～17 m。

2.4 關(guān)鍵巖塊“懸臂”或“砌體”形態(tài)辨析

工作面回采后，基本頂關(guān)鍵巖塊可能存在懸臂梁結(jié)構(gòu)和砌體梁結(jié)構(gòu)2 種形態(tài)。影響不同形態(tài)的主要因素或條件：開采高度、關(guān)鍵層距煤層高度。通過分析關(guān)鍵層下部巖層垮落、碎漲后是否能超過關(guān)鍵層保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的最大回轉(zhuǎn)量，辨析關(guān)鍵巖塊“懸臂”或“砌體”形態(tài)。關(guān)鍵巖塊“懸臂”結(jié)構(gòu)形成條件：

式中：ΔJ為關(guān)鍵巖塊回轉(zhuǎn)量，m；Δmax為能夠懸臂梁結(jié)構(gòu)必要的最大回轉(zhuǎn)量，m；KS為關(guān)鍵層底部垮落巖層碎漲系數(shù)；hL為關(guān)鍵層距煤層高度，m；h為關(guān)鍵層厚度，m；q為關(guān)鍵層承受載荷，kN/m2；σc為關(guān)鍵層破斷巖塊等效抗壓強(qiáng)度，σc=0.35[σ]；[σ]為關(guān)鍵層極限抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)開采條件和經(jīng)驗(yàn)，近似取Ks=1.15、hL=5 m、h=12 m、[σ]=85 MPa、q=0.025×34.5=0.86 MPa，計(jì)算得到關(guān)鍵巖塊回轉(zhuǎn)量ΔJ=3.65 m。而能夠懸臂梁結(jié)構(gòu)必要的最大回轉(zhuǎn)量Δmax=8.15 m，因此，ΔJ＜Δmax，不滿足關(guān)鍵巖塊“懸臂”結(jié)構(gòu)形成條件，即關(guān)鍵巖塊形成了砌體梁結(jié)構(gòu)。

2.5 08 工作面沿空風(fēng)巷頂板結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)

基于以上結(jié)果，08 風(fēng)巷掘進(jìn)之前，相鄰的06采空區(qū)基本頂關(guān)鍵巖塊呈砌體梁結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵巖塊長(zhǎng)度約13～17 m，一側(cè)觸矸點(diǎn)位于06 采空區(qū)內(nèi)，一側(cè)斷裂點(diǎn)位于08 工作面實(shí)體煤壁內(nèi)側(cè)，留設(shè)10 m 區(qū)段煤柱處于塑性狀態(tài)。得到了08 風(fēng)巷頂板圍巖結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)，如圖2。

圖2 08 風(fēng)巷圍巖結(jié)構(gòu)及參數(shù)（m）

3 巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬分析

深部沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征，是煤柱留設(shè)、頂板結(jié)構(gòu)及采掘擾動(dòng)等綜合因素“耦合”的結(jié)果，其相互作用過程與結(jié)果復(fù)雜，通過數(shù)值模擬巷道頂板運(yùn)動(dòng)和圍巖應(yīng)力等，進(jìn)一步確定巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.1 模型建立

以08 工作面沿空風(fēng)巷為工程背景，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型長(zhǎng)308 m，寬300 m，高150 m，共計(jì)234 000 個(gè)單元，244 610 個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，取水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力一致。如圖3。

圖3 數(shù)值模擬模型

3.2 掘進(jìn)期間結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。留設(shè)10 m 區(qū)段煤柱條件下，掘進(jìn)期間圍巖塑性區(qū)、垂直應(yīng)力和位移情況：

圖4 掘進(jìn)期間模擬結(jié)果

1）巷道兩側(cè)塑性發(fā)育，煤柱處于塑性狀態(tài)，說明受到掘進(jìn)擾動(dòng)和側(cè)向支承應(yīng)力作用，煤柱內(nèi)部裂隙貫穿，不具有彈性核。

2）應(yīng)力集中區(qū)域從煤柱向?qū)嶓w煤側(cè)轉(zhuǎn)移，煤柱雖有一定的應(yīng)力集中，但相對(duì)較小，煤柱同時(shí)具有一定支承強(qiáng)度和保持穩(wěn)定。

3）巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖變形和運(yùn)動(dòng)影響較大，煤柱幫變形量300～400 mm，表現(xiàn)為圍巖塑性膨脹和體積擴(kuò)容，圍巖運(yùn)動(dòng)范圍偏向巷道頂?shù)装澹煽諈^(qū)圍巖運(yùn)動(dòng)不明顯。

3.3 回采期間結(jié)果分析

為論證08 工作面回采期間圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，繼續(xù)在留設(shè)10 m 區(qū)段煤柱基礎(chǔ)上，模擬本工作面回采。參照相鄰06 工作面周期來壓步距，每次采15 m，共采150 m，如圖5 所示?；夭善陂g圍巖變形和應(yīng)力演化情況：

圖5 回采期間模擬結(jié)果

1）當(dāng)工作面回采150 m 時(shí)，煤柱幫變形在工作面前方50 m 處開始加速，在工作面附近變形速度達(dá)到峰值，工作面端頭處煤柱幫變形量約為400 mm，在工作面后方100 m 處趨于穩(wěn)定，最大變形量達(dá)1200 mm。穩(wěn)定采空區(qū)位置距回采工作面約200～300 m。

2）工作面回采150 m 時(shí)，工作面前方75 m 處煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力開始增加，直到采空區(qū)后方110 m 處最大垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，約為37.5 MPa。

3.4 模擬結(jié)果小結(jié)

模擬得到的08 工作面風(fēng)巷掘進(jìn)以及08 工作面回采不同階段相應(yīng)的巷道圍巖關(guān)鍵參數(shù)及特征，基本與理論分析結(jié)果相吻合。同時(shí)，巷道掘進(jìn)和回采過程中，留設(shè)的10 m 煤柱與巷道圍巖、頂板形成了砌體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基本滿足掘進(jìn)及回采不同階段對(duì)采空區(qū)隔離，以及“煤柱-頂板”穩(wěn)定控制等作用，并能夠保持相對(duì)的完整和穩(wěn)定。

在滿足其他高應(yīng)力區(qū)治理與檢驗(yàn)等安全防控條件情況下，新集二礦08 工作面風(fēng)巷具備了掘進(jìn)和回采的基本條件。

4 巷道圍巖高應(yīng)力防控技術(shù)

煤柱幫與實(shí)體煤幫的支承應(yīng)力有差異，應(yīng)力主要集中在實(shí)體煤幫。為降低沿空巷道應(yīng)力集中和增加巷道整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)巷道“低應(yīng)力”環(huán)境，需對(duì)實(shí)體煤幫集中應(yīng)力實(shí)施卸壓和檢驗(yàn)。

4.1 卸壓參數(shù)

參照《煤層鉆孔卸壓防治方法》，08 工作面風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)潛在的高應(yīng)力區(qū)采取大直徑鉆孔卸壓，卸壓孔布置參數(shù)：孔直徑150 mm、孔間距3 m、孔深10～15 m（根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)），距迎頭小于20 m，鉆孔距巷道底板約1.0 m。鉆孔布置如圖6。

圖6 卸壓鉆孔示意圖（m）

4.2 效果檢驗(yàn)

主要采用鉆屑法檢測(cè)。通過考察每米鉆進(jìn)排出煤粉量，如果超過或接近臨界指標(biāo)時(shí)，說明具有高應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)或未達(dá)到卸壓效果，同時(shí)考察鉆進(jìn)時(shí)動(dòng)力顯現(xiàn)，常見有聲響、吸（卡）鉆、鉆孔沖擊，或大于3 mm 煤粉顆粒組分超過30%等情況，作為判定卸壓效果的輔助指標(biāo)，見表2。

表2 鉆屑法檢驗(yàn)指標(biāo)

5 結(jié)論

1）深部沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與煤柱留設(shè)、頂板結(jié)構(gòu)、采掘擾動(dòng)等因素緊密相關(guān)，中等寬度煤柱需要重點(diǎn)分析煤柱彈塑性狀態(tài)，避免采掘期間煤柱由彈性向塑性變化造成“煤柱-頂板”結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2）新集二礦08 工作面沿空風(fēng)巷圍巖關(guān)鍵參數(shù)及特征：10 m 煤柱處于塑性狀態(tài)，06 采空區(qū)基本頂斷裂線與煤壁距離約為4 m，關(guān)鍵巖塊側(cè)向斷裂的跨度為13～17 m，關(guān)鍵巖塊形成砌體梁結(jié)構(gòu)。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，新集二礦08 工作面沿空風(fēng)巷留設(shè)的10 m 區(qū)段煤柱，巷道掘進(jìn)、回采期間巷圍巖彈性變化、垂直應(yīng)力和位移結(jié)果等均可控，掘進(jìn)及回采階段巷道圍巖結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定。

4）提出了深部沿空巷道圍巖高應(yīng)力“卸壓-檢驗(yàn)”技術(shù)方法，結(jié)合08 工作面風(fēng)巷的基本條件和分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了鉆孔卸壓參數(shù)和煤粉檢驗(yàn)指標(biāo)。