7.0m采高综采面回采巷道变形破坏规律研究

 题正义，潘进，田臣，秦洪岩

（1．辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新123000；

 2．辽宁工程技术大学采矿技术研究院，辽宁阜新123000）

摘要：针对神东矿区大柳塔煤矿采用7.0 m采高综采面回采5-2煤三盘区时回采巷道出现不同程度的变形破坏现象，采用现场实测的方法对52304及52303工作面回风顺槽之间的区段煤柱进行了巷道变形及应力变化规律的监测，并运用FLAC3D数值模拟软件对不同埋深条件下两工作面之间区段煤柱的应力分布规律进行了模拟，最后总结分析了回采巷道变形破坏的机理，并得出采空区段煤柱的失稳是造成回采巷道变形破坏的根本原因。从而为巷道的合理布置及相应控制对策的提出提供基础数据，以保证矿井安全高效的生产。

关键词：回采巷道；变形破坏；机理；数值模拟

O  引言

 作为神东煤炭集团首个开采5 -2煤盘区并且首个采用7.0 m支架回采盘区的大柳塔煤矿。由于对5-2煤的开采属于首例，且在煤层地质开采条件方面与以往所开采的上覆煤层存在着一定的差异：赋存条件复杂，开采深度增加，开采煤厚增大等。同时与一般采高综采面相比7.0 m特大采高综采面在覆岩运动状态与矿压显现规律上有其特殊性，所以其回采巷道的变形破坏更加复杂。因此，在没有经验借鉴的情况下，揭示此类巷道变形破坏的机理是确保矿井安全生产的前提和关键。目前，许多学者针对各种条件下工作面回采巷道变形破坏机理以及区段煤柱的合理尺寸进行了大量研究，然而对于回采巷道变形破坏与区段煤柱之间存在的关系的研究仍很缺乏，尤其是在7．Om特大采高综采面的开采条件下更是鲜有研究。通过前辈们的研究我们知道，回采巷道的变形破坏与围岩所处的应力环境密切相关，然而巷道的围岩应力状态又会受到许多因素的影响。因此，在前人研究的基础上论文主要针对区段煤柱失稳对7.0 m特大采高综采面回采巷道变形破坏影响进行研究。

1  工程概况

 大柳塔矿5 -2煤三盘区是大柳塔井在5-2煤的首采盘区，52304是该盘区的首采工作面，52303为52304的接续工作面。两个工作面的煤层厚度均在6.6—7.3 m之间，平均为6.94 m。工作面煤层自切眼至回撤通道均为宽缓坡状构造，埋深在150~270 m之间。由于矿井盘区内各工作面布置时均采用双巷掘进工艺，因此，将造成52303与52304工作面间的区段煤柱会受到两次采动的影响。即52304首先开采时煤柱处于一侧采空状态，煤柱单侧受影响；后52303再次开采时，煤柱处于两侧采空状态，煤柱两侧均受影响。由于没有其他类似条件的矿井可以借鉴，因此，根据现场经验决定留设20 m宽的区段煤柱。然而在52304工作面整个回采过程中，开采对本工作面回采巷道及邻近工作面预掘巷道的变形影响均不大，而后续52303工作面在毗邻52304采空区开采时，邻近采空区一侧的回采巷道（回风顺槽）则在埋深超过250 m左右的开采范围内出现了严重的变形破坏现象，巷道底鼓、帮鼓、片帮、顶板大幅下沉等现象普遍发生，极大的影响了工作面的安全高效生产。

2  现场监测

2.1  测点布置及观测方案

为了掌握7．Om特大采高综采面开采情况下，煤柱受采动影响后的变形及煤柱应力分布规律，从而为揭示巷道变形破坏机理、为合理安排巷道的布置位置提供基础数据，特对52304和52303工作面相邻巷道的变形和煤柱应力进行了观测。其中，煤柱应力测站布置时，为了能监测到巷道煤柱受一次采动和二次采动的影响差异，在52303回风巷内布置了2个测站，第一个测站距离52304 -2切眼400 m左右；第二个测站距离回撤通道200m处，每个测站设置4个测点，钻孔由52303回风顺槽向52304工作面一侧水平钻进，布置于91—92#联巷之间的煤柱中，钻孔间距为Sm，孔口高度距离巷道底板2.0 m，钻孔直径42 mm，每个孔内均布置有钻孔应力计。而巷道变形测点布置时，分别在52304回风巷和52303回风巷中各布置了4个测站：第一个测站位于初采阶段距离52304 -2切眼400 m左右，第二个测站距切眼月1350 m处，第三个测站位于距回撤通道1213 m处，第四个测站距回撤通道200 m。每个测站的测点个数和间距与应力监测钻孔一致，布置位置与应力监测钻孔位置对齐。各测站的详细布置方案均一致，以初采阶段为例，布置方案如图1(a)、(b)所示。顺槽变形观测时采用十字交叉法进行，并以巷帮和顶板的锚杆作为固定测点，主要观测巷道两帮移近量和顶底板移近量，用以反映顺槽受工作面开采影响的收敛情况。实际观测时，超前工作面100 m开始，每天观测一次，并及时做好数据记录。

2.2观测结果分析

在对52304工作面初采阶段的巷道变形观测过程中，由于2#观测点遭到破坏，因此只观测到其他3个测点的数据。52304工作面回风顺槽受开采影响的变形曲线如图2所示。从图中可以看出，回风顺槽两帮超前工作面41.5~61.2 m时开始变形，最终两帮移近量3—6mm；而顶底板超前工作面66.3~70.6 m时即开始变形，最终顶底板移近量71~126  mm，巷道变形较小，说明工作面初采阶段对回风顺槽的超前影响较小，巷道的支护强度是足够的。

 同样，当工作面推进至第二测站和第三测站位置时，也采取了相同的方法进行了巷道的变形实测，实测结果与初采阶段的变形规律基本一致，巷道变形整体较小，实测顶底板移近量最大150 mm，两帮移近量最大21 mm。

 52303工作面运输顺槽及辅助运输顺槽在整个回采过程中受采动影响仅出现轻微的片帮现象，实测未发现明显的巷道变形，其变形规律与52304工作面开采时相类似。但回风顺槽在受两次采动影响的情况下，随工作面推进位置的不同出现了不同程度的底鼓、帮鼓、顶板下沉等变形破坏现象，其详细描述如下。

 52303工作面自切眼推进至25联络巷期间(推进距0～3 492 m)，巷道整体状况与运输顺槽及辅助运输顺槽基本一致。当推进至25#联巷附近(3 500 m)时，煤层埋深增大至约250 m，回风顺槽出现了轻微的底鼓现象，底鼓量约为200~ 300 mm，影响范围超前工作面30 m左右，在回采至21#联络巷期间未出现帮鼓。当工作面由21#联络巷推进至18#联络巷（推进距3 676—3 815 m），此区间煤层埋深已接近260 m。回风顺槽超前50~ 60m范围内出现了严重的底鼓及帮鼓现象，其中底鼓量约600~ 800 mm，顶板下沉量约400~ 500 mm，顶底板累计移近量最大达1.2 m；副帮一侧最大变形量达800 mm。联络巷口附近底鼓较严重。自18#联络巷至11#联络巷回采过程中，埋深进一步增大到260~ 270 m。针对巷道变形，矿方采取机尾割煤时降低采高至6.0 m以增加顶煤留设厚度、加强超前单体支护密度、巷道正副帮补强支护、巷道底板开设卸压槽等措施后，巷道底鼓得到一定的控制，但巷道超前顶板仍有约400~ 600 mm的下沉量，巷道帮鼓仍然较大，正帮一侧最大变形量达1.0 m。

而对于回风顺槽区段煤柱的应力观测，由于后期矿方对巷道的封堵等其他原因只监测到了52304工作面初采阶段测站1#钻孔应力计数据的变化（如图3）。从图3可以看出，1#钻孔应力于11月30日中班就开始逐步升高，超前工作面距离116 m；而到12月10日早班时，测点应力增高速度明显变大，此时测点超前工作面距离为40.2 m；最终，测点于12月17日中班进入采空区，此后，测点应力仍持续上升，最终应力达5. 75 MPa。由于对应力的监测数据不足，下面将通过FLAC3D数值模拟对区段煤柱受采动后的应力变化情况。

3  区段煤柱应力变化的数值模拟研究

3.1  数值模拟模型建立及方案设计

采用FLAC3D进行数值模拟，主要研究7.0 m支架工作面回采巷道在受一次采动和二次采动时区段煤柱应力场的分布及变化规律；数值模型建立时以5 -2煤的开采条件为基础进行设置，并将各岩层进行简化；模型中设置2个工作面，工作面间留设一定宽度的区段煤柱；模型的几何尺寸为330 m×300 mX120 m；模型采用位移约束固定边界，上覆未铺设的岩层重量以均布载荷的方式施加在模型顶界面。根据煤层埋深以及区段煤柱留设宽度的不同，建立如表1所示的4个实验方案。其中，对于不同埋深的模拟方案，即是通过改变施加在模拟顶界面的均布载荷值大小来实现。模拟实验各煤岩层的力学参数见表2。

 进行模拟时根据矿上实际开采情况先一次全部开挖52304工作面，然后再开挖52303工作面，同时观测两工作面之间区段煤柱的应力变化规律。

3.2模拟结果分析

由不同埋深情况下52304工作面开采后的煤柱应力分布情况可知，尽管埋深不断加大，但仅开采52304工作面时，区段煤柱始终处于稳定状态，煤柱中部始终存在一定的弹性核区，因此，在大柳塔井5-2煤三盘区开采条件下，仅开采单个工作面时，20 m的区段煤柱是能够满足邻近工作面回采巷道维护需要的。然而，不同埋深条件下开采52303工作面之后区段煤柱的应力分布如图4所示。模拟实验结果显示，随着埋深的增加，采空区后方区段煤柱的应力分布由“马鞍形”逐渐转变为“拱形”分布，这说明区段煤柱中部的弹性核区逐步减小，稳定性逐步降低。当开采开采深度达到250 m时，采空区后方两侧采空煤柱的应力分布已转变成为“拱形”分布，说明此时采空区后方的煤柱已无实际支撑承载能力；且随着采深的增加，工作面超前煤柱所受的应力逐渐增大，稳定性逐步降低，中部的弹性核区也大幅减小。这说明，随着埋深的增加，不仅采空区后方两侧采空煤柱内的应力增大导致逐步失稳，而且工作面超前煤柱也会因后方载荷的向前转移导致应力增加而逐步进入失稳状态，由此将造成回采巷道超前支护段变形破坏地加剧。

4  影响机理分析

 根据现场开采情况，当52304首先开采时煤柱处于一侧采空状态，煤柱单侧受影响；后续开采52303时，煤柱处于两侧采空状态，煤柱两侧均受影响。由于工作面的采高较大，覆岩垮落及运动的范围加大，施加在区段煤柱上的采动集中应力较一般采高情况下必然会有所增大，煤柱的承载能力及稳定状态也必然会受到较大的影响。52303工作面后方采空区区段煤柱处于两侧采空状态，而工作面超前煤柱则属于一侧采空状态；相比而言，两侧均为采空区的区段煤柱稳定性更易遭到破坏。若工作面开采区域的埋深较大或煤柱的支护强度不够时，两侧采空区段煤柱极易发生失稳，由此将导致施加其上的集中应力向前方转移而施加到一侧采空煤柱上，造成区段煤柱超前支承压力的进一步增大。也正因为如此，52303回风巷超前支护段才出现了帮鼓、底鼓、片帮、顶板大幅下沉的强烈矿压显现。

 综合以上现场实测、数值模拟及理论分析结果可知，工作面邻近采空区一侧的回采巷道是否会发生变形破坏，主要取决于采空区后方两侧采空区段煤柱是否能保持稳定；而区段煤柱的稳定性又会受到煤柱上覆载荷和煤柱自身承载能力的影响。其中，煤柱承载能力又与煤柱尺寸和煤体力学强度特性有关：煤柱宽厚比越大、煤体力学强度越高，则区段煤柱所能承受的载荷越大，又由前节数值模拟结果可得出：埋深越大施加在区段煤柱上的载荷越高，自然越不易保持稳定。对于大柳塔煤矿5-2煤三盘区，工作面间的区段煤柱宽度普遍设置为20 m，煤层厚度基本处于6.6~7.3 m，采高也固定为6.5—7．Om。因此，对该盘区巷道变形破坏影响的主要因素即为煤层埋深。也正因为如此，52303回风巷变形破坏的区域才发生在末采区域采深相对较大的范围内。

5结论

 1)从数值模拟结果可以看出，煤层埋深的增大导致采空区后方两侧采空区段煤柱的失稳是造成52303工作面回风顺槽发生严重变形破坏的根本原因。采空区后方区段煤柱的失稳造成上覆载荷前移至工作面超前煤柱，导致该区域煤柱应力增大，引发底鼓、帮鼓、以及顶板下沉的出现。

 2)对于大柳塔煤矿5 -2煤7.0 m采高开采条件下，若回采巷道一侧为未开采的实体煤时，留设20 m的区段煤柱足以保证正常的生产需要；而对于回采巷道一侧毗邻采空区时，当回采至该巷道埋深在231~268 m的区域时将会发生类似52303工作面回风巷的变形破坏现象，此时，现有的巷道支护及布置方式将无法满足正常生产的需要。

 3)根据5 -2煤三盘区煤层的埋深及厚度分布情况，可对后续回采的52302工作面回风顺槽（毗邻52303工作面采空区）可能发生变形破坏的危险区域进行预测，以便提前采取应对措施。同时，也可在巷道布置和支护方式等方面为其他具有类似开采条件的矿井提供借鉴和参考。