基本顶断裂形式对窄煤柱护巷稳定性影响分析

吕 振 孙 赓 樊浩冬

（河北工程大学，河北 邯郸 056038）

上区段工作面回采形成的采空区导致煤体上方基本顶发生断裂，断裂线的位置影响护巷窄煤柱的稳定性。当断裂线出现在不同位置时，窄煤柱内矿压分布特征和沿空掘巷后巷道围岩受力特征均会有不同。所以，研究分析基本顶发生断裂的位置与窄煤柱稳定性之间的关系，对掘巷位置以及上覆岩层这个“大结构”的稳定都有很重要的作用[1-2]。

关于窄煤柱沿空掘巷覆岩破断特征对巷道围岩稳定性的影响，前人已做了大量的研究[3-8]。查文华等[9]理论计算了煤柱宽度和基本顶断裂位置。王帅等[10]通过UDEC 非线性数值模拟软件，对3 种模型进行模拟研究。

潞安集团常村煤矿之前采用传统的宽煤柱护巷方式，区段煤柱留设宽度为30 m，受巷道地应力、上区段采空区的侧向支承压力等因素影响，不仅使巷道围岩控制难度增大，而且煤炭资源严重浪费。为进一步提高煤炭采出率，结合该矿实际地质条件和开采条件，针对基本顶不同断裂位置以及窄煤柱不同尺寸的问题，深入研究窄煤柱沿空巷道的围岩控制方法。

1 基本顶不同断裂位置覆岩运动特征

为研究分析基本顶不同断裂形式时护巷窄煤柱破裂方式，依据常村煤矿实测煤岩力学参数，建立UDEC 数值模型。模型宽度为80 m，高度为38 m，巷道宽5 m，巷道高3 m，模拟基本顶断裂在上区段采空区侧、窄煤柱上方、巷道上方和巷道实体煤侧4 种断裂位置。

图1 为掘巷前煤柱破裂形式。当断裂在采空区和煤柱上时，煤柱上承担的岩块B 的范围较小，受到岩块B 运转影响较小，煤柱破碎从上端开始发生拉伸破坏，逐渐向下向内扩散，在内部形成剪切破坏。基本顶破裂线在巷道上方和实体煤侧上方时，煤柱整体受到岩块B 下沉回转影响，破裂下端开始发生拉伸破坏，破裂范围较大，不利于掘巷时承载。从煤柱破坏整体来看，当煤柱较窄时，基本顶破断在巷道和实体煤上时，比破断在采空区和煤柱上煤柱强度略高。

图1 掘巷前煤柱破裂形式

掘巷后阶段，岩块B 和岩块A 向采空区方向的垂直方向和水平方向的下沉运动都达到最剧烈程度，导致巷道围岩呈现出巷道顶板发生向下的较大挠度变形，破碎较严重，巷道围岩在水平方向上受到基本顶的挤压同样产生较大程度破坏。如图2。

图2 掘巷后覆岩运动特征

图3 为巷道围岩破裂形式。当基本顶在实体煤侧破裂时，巷道围岩破裂最严重，矿压显现最剧烈，在靠近煤柱侧底板发生较为明显的底鼓现象，而顶板则是靠近实体煤侧失稳较严重；当基本顶破裂位置在巷道上时，底板底鼓现象不太明显但巷道两帮破碎严重，顶板呈对称分布向上发生冒顶；当断裂位置在采空区上和巷道上时，巷道整体失稳形式相似，岩块B 的回转下沉对沿空巷道围岩造成的影响较小。

图3 巷道围岩破裂形式

综上所述，岩块B 在整个过程中的位移变形方式影响着基本顶断裂形成的铰接结构的变形特征，因此关键块B 的整体位移变形对巷道围岩控制起着非常关键的作用。基本顶断裂线的位置距离巷道越远，对巷道围岩变形破坏的影响就越小，巷道就越易进行支护控制，在采取措施减弱基本顶断裂对巷道的影响后，仍需要对煤柱进行补强支护来实现对巷道围岩稳定性的有效控制。

2 不同煤柱尺寸时覆岩运动特征

以基本顶断裂在煤柱上方为背景，根据不同煤柱尺寸下基本顶断裂位置建立UDEC 数值模型，巷道与采空区间预留设3 m、6 m、9 m、12 m 煤柱。

图4 为不同煤柱宽度条件下的煤柱破裂形式。从整体破碎特征分析，当煤柱宽度为3 m 时，煤柱整体被塑性区贯穿，基本丧失承载能力；当宽度为6 m 时，靠近采空区边缘仍发生较为严重的压剪破坏，适当提高煤柱强度以实现对围岩变形控制是可行的；当煤柱宽度为9 m 和12 m 时，煤柱只发生局部破坏，对掘巷影响逐渐减小。

图4 煤柱破裂特征

掘巷后阶段覆岩运动特征如图5。不同煤柱宽度条件下的岩块B 和岩块A 向采空区方向的垂直方向和水平方向的下沉运动都达到最剧烈程度。当煤柱宽度为3 m 时，煤柱已完全失稳，巷道围岩在水平方向上受到基本顶的挤压产生较大程度破坏，且整体向采空区侧发生偏转，位移矢量布满整个煤柱和巷道顶板；当煤柱宽度为6 m 时，煤柱向采空区和巷道内发生滑移倾斜，巷道围岩在煤柱侧破坏较严重；当煤柱宽度为9 m 时，煤柱靠近巷道侧破坏较严重，顶板出现轻微下沉，巷道顶板与煤柱夹角出现向巷道内侧的轻微变形；当煤柱宽度为12 m时，煤柱在基本顶回转下沉的影响下，在煤柱靠近采空区侧出现压剪破坏，巷道围岩稳定性较好。

图5 掘巷后覆岩运动特征

图6 为不同煤柱宽度条件下巷道围岩破裂特征。当煤柱宽度为3 m 时，巷道两帮破碎严重，顶板冒落高度较高，底板靠近实体煤侧出现轻微底鼓，巷道围岩矿压显现剧烈，不易进行有效支护；当宽度为6 m 时，巷道煤柱帮破碎比实体煤帮破碎严重，底鼓现象从3 m 煤柱靠近实体煤侧转移到靠近煤柱侧，顶板冒落高度较3 m 煤柱有所降低；当煤柱宽度为9 m 时，巷道顶板与煤柱之间拐角处发生向巷道内偏移破坏，顶板和底板靠近煤柱侧破坏较严重；当煤柱宽度增加至12 m时，巷道两帮发生轻微破坏，顶板和底板出现轻微滑移破坏，煤柱内未破坏范围也逐渐增大，利于巷道支护。

图6 煤柱及巷道围岩破裂特征

综上所述，由不同煤柱宽度条件下巷道覆岩结构及煤柱破裂形式可以看出，在覆岩形成破断结构稳定后，随着煤柱宽度的增加对巷道围岩的影响越来越小。3 m 煤柱条件下巷道已难以支护，从6 m煤柱开始，巷道围岩强度逐渐增加，进行巷道围岩有效支护同时提高煤柱的强度可实现对围岩的变形控制。

3 结论

本文主要分析了窄煤柱沿空掘巷过程中基本顶断裂形式对护巷窄煤柱的影响规律，得到了以下的主要结论：

1）基本顶断裂线的位置距离巷道越远，对巷道围岩的影响就越小，巷道就越易进行支护控制，断裂线位置在巷道向采空区侧距离越远对巷道围岩变形控制影响越小，在采取措施减弱基本顶断裂对巷道的影响后，仍需要对煤柱进行补强支护来实现对巷道围岩稳定性的有效控制。

2）基本顶在形成断裂结构之后，随着煤柱宽度的增加，对煤巷围岩的影响越来越小，3 m 煤柱条件下巷道难以支护，从6 m 煤柱开始，巷道围岩强度逐渐增加。