综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律研究
Study on the Deformation of Narrow Pillar of Roadway Driving
along Next Goaf of Fully Mechanized Caving Face
刘训臣LIU Xun-chen；田会礼TIAN Hui-li；宓荣三MI Rong-san
（石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041）
（Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050041，China）
摘要：煤矿综放面窄煤柱尺寸较小，并且受到采动影响，往往产生较大的变形和移动，其破坏规律异常复杂。以某矿13278工作面为例，应用三维有限差分计算软件FLAC3D分析运料巷围岩及煤柱在工作面倾向、走向方向的破坏特征，得出该工作面生产过程中需要加强支护，防止出现安全事故。
Abstract: Narrow Pillar of fully mechanized mining caving face has a smaller size. It is usually has large deformation influenced by coal mining, so failure law is extremely complex. Taking 13278 mining face as an example, the failure characteristics of surrounding rock and pillar were analyzed by used FLAC3D. The result shows it should be strengthened to support.
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关键词 ：窄煤柱；围岩；FLAC3D
Key words: narrow pillar；surrounding rock；FLAC3D
中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0137-04
0引言
随着煤炭的连续开采，浅、表部煤炭资源越来越少，目前已转向深部煤层的开采[1]。长期以来，留煤柱护巷方式一直是我国煤矿井工开采的主要方式，留设煤柱护巷的方式受各种条件限制，主要有两种趋势，一种为宽煤柱方式，目的是为了避开压力峰值，减少对巷道的破坏；另一种为窄煤柱或无煤柱留巷方式。采空区一侧回采巷道留设窄煤柱沿空掘巷是一种减少煤炭损失，提高回采效率的新方法，在深部矿井综采放顶煤工作面越来越多的被采用[2-6]。尤其是河北地区所属煤层储存地质条件复杂，通过不断研究、探索和发展，综采放顶煤工艺得到了很大的发展和应用，达到了国内轻放设备及工艺的先进水平，但在巷道支护设计与煤柱留设方面还处于经验设计阶段。因此，无论从技术角度还是从经济角度来讲，研究综采放顶煤沿空掘巷窄煤柱破坏规律都势在必行。
1工程概况
河北省某矿13278工作面井下位于该矿三水平南二采区南部，其以西为13276轻放工作面（正回采期间）；以东为未采掘新区和DF5断层；以北为下山保护煤柱；以南为断层。工作面标高-215～-310m。地面为山前坡地，地面以农田为主，无建筑物。地面标高+261～+315m。工作面煤厚3.8m，煤层基本上稳定，煤层走向140°～150°，倾向50°～60°，在构造附近的煤岩层产状变化较大，煤层倾角7°～15°，平均12°。地质储量为29.24万吨。工作面设计走向长度490m，倾斜长30m～125m，平均90m，设计采高2.2m，放顶煤1.6m，回采率87%，可采储量为25.44万吨。工作面及巷道布置如图1所示。
从图1可以看出，工作面的运料巷布置在回采完毕的13276工作面下方，在13276工作面和13278工作面之间留设5m保护煤柱。巷道形状为圆拱形巷道，支护形式采用U型钢支护，如图2所示。
2几何模型建立
为了研究运料巷和护巷煤柱在工作面回采期间的力学特征，建立与13278工作面实际地质条件和生产条件相似的三维FLAC计算模型。模型沿工作面的倾斜方向考虑在计算过程中的单元数量，研究范围为运料巷及其附近的5m小煤柱，所以可将运料巷两侧的工作面开挖宽度均设为60m，模型倾向长度130m。沿工作面的走向方向为150m模型高度为40m。模型中巷道沿煤层的顶板掘进，平均倾角12°。根据以上条件建立的FLAC三维模型如图3所示。
3运料巷围岩及煤柱破坏特征分析
3.1 运料巷围岩及煤柱在工作面倾向方向的破坏特征图4～图7为运料巷和煤柱在13278工作面前方不同位置处塑性区分布情况。从图中可看出，在回采面处，工作面煤壁、运料巷、5m护巷煤柱破坏很严重，工作面和运料巷的直接顶基本完全破坏，达到3m左右，老顶没有出现破坏，底板破坏范围达到3.6m左右。煤柱靠近13276工作面的采空区侧出现一定程度的破坏，这是由于13276工作面回采完毕后顶板发生回转致使煤柱压力增大的结果，煤柱靠近运料巷一侧破坏范围为2m左右。
在13278工作面前方3m处，工作面煤层、运料巷、5m护巷煤柱破坏较采面处轻微，工作面和运料巷的直接顶部分破坏，并且靠近运料巷区域工作面内破坏较远离运料巷的工作面内岩体破坏小，在煤层倾向方向上，工作面煤层直接顶破坏范围的最大值为3m左右，最小值为0.6m左右，老顶没有出现破坏。运料巷的底板破坏范围较大，达到2.4m左右，工作面煤层顶板没有出现破坏。煤柱靠近13276工作面的采空区侧出现一定程度的破坏，这是由于13276工作面回采完毕后顶板发生回转致使煤柱压力增大的结果，煤柱靠近运料巷侧破坏范围2m左右。
在13278工作面前方5m及更远处（如100m处），工作面煤层没有破坏，运料巷、5m护巷煤柱破坏较轻微，运料巷的直接顶部分破坏，破坏范围的1.5m左右，老顶没有出现破坏。煤柱靠近13276工作面的采空区侧出现一定程度的破坏，这是由于13276工作面回采完毕后顶板发生回转致使煤柱压力增大的结果，煤柱靠近运料巷一侧破坏范围为1.5m左右。
3.2 煤柱在工作面走向方向的破坏特征图8～图11为煤柱在13278工作面前方不同位置处塑性区分布情况。从图7.33中可看出，护巷煤柱表面（或运料巷的上帮）破坏很严重，基本全部破坏，煤柱上方的直接顶岩层在工作面回采位置破坏较大，达到1.5m左右，老顶没有出现破坏，底板破坏范围达到3.6m左右。煤层走向方向的煤柱表面其它位置破坏比较均匀，直接顶破坏范围为1.0m左右，底板破坏范围为2.4m左右。
分析图9得出，护巷煤柱内部距巷道表面1m深处煤柱破坏较煤柱表面剖面轻微，在煤层走向方向上，无论是工作面回采位置处，还是其它位置顶底板岩层破坏比较均匀，直接顶没有发生破坏，底板破坏范围为2.4m左右，煤柱在此剖面处全部发生破坏。
分析图10得出，护巷煤柱内部距巷道表面2m深处煤柱破坏较轻微，在回采面后方和前方附近，煤柱出现部分破坏，破坏范围约为1.4m左右，距离采面较远处煤柱煤体靠近底板的部位出现小范围破坏。在煤层走向方向上，无论是工作面回采位置处，还是其它位置顶底板岩层没有发生破坏。
在距运料巷上帮3m和4m的煤柱内部，煤柱和顶底板均没有出现破坏。出现这种现象的原因是在煤柱内部由于应力的重新分布，在这些位置处出现了弹性核，所以没有出现破坏。
分析图11得出，护巷煤柱内部距巷道表面5m深处煤柱全部发生破坏，在煤层走向方向上，煤柱的直接顶发生0.6m的破坏。煤柱底板没有发生破坏。此处煤柱破坏较煤柱内部3m、4m处破坏严重的原因是13276工作面采空区的影响。
4改进措施
根据以上分析看出，13278工作面整个运料巷上帮受上区段采空区的影响存在很大的高应力区；巷道底臌较明显，工作面前方10m处的巷道底臌量出现了减小；在现有的支护情况下，运料巷及煤柱破坏范围较大，尤其是在工作煤壁及前方20m左右破坏非常严重，运料巷道破坏范围最大达到3.6m左右，煤柱最大破坏范围达到2m左右，在工作面回采过程中应加强煤帮的管理，以防片帮。具体措施如下：超前工作面20m开始在巷道顶部每隔3.5m补打7m长锚索、或锚索+钢带（厚度8mm，宽度120mm的钢板）加强支护；对超前支护范围内变形严重地段，补打?准18×2200~2800mm钢筋锚杆。
留窄煤柱的沿空巷道，由于受采动压力和围岩应力的共同作用，巷道围岩处在塑性变形区域内，围岩稳定性差，变形量大，巷道设计中可采用支护强度、刚度与围岩应力、变形相匹配的具有让压、增阻、高强度，能有效控制围岩变形、破坏，具有主动支护特点的支护方式如锚索、锚杆联合支护技术。
5结论
根据数值模拟分析，在U钢支护条件下，13278工作面留设宽度5m的窄煤柱基本是合理的，在回采过程中需加强支护，防止片帮等事故发生。在新的巷道设计中可采用锚索、锚杆联合支护技术等主动支护技术，运用数值分析等手段，研究巷道围岩及煤柱破坏特征，总结规律合理确定煤柱尺寸和支护参数，进一步提高煤炭出采率，降低工人劳动强度，进而产生良好的经济和社会效益。
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参考文献：
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