范江涛

(山西煤炭运销集团 三元石窟煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

煤炭是我国的主体能源，由于浅部煤炭资源储量的减少，为了减缓煤矿向深部高应力区域发展，许多矿区开展了对旧式采煤方法残留煤炭资源的二次开采工作，其中难点在长壁综采回采过空巷时，特别是平行空巷的围岩控制。马占国等对多种采煤方法残留煤柱的复采问题进行了研究，并建立了矿柱和采空区充填体共同支撑的弹性板柱的力学模型[1]；柏建彪等提出了空巷基本顶模型，研究了充填技术与支护参数[2]；杜科科等[3]研究了过空巷期间顶板运动规律和结构变化，并得出了等压过空巷技术参数；杨荣明等[4]采用弹性地基梁模型分析出工作面在过空巷时老顶断裂线位置。

1 研究背景

石窟煤业现对301采区巷道保护煤柱及边角煤进行回收，布置30106复采工作面，30106煤柱回收工作面长度随地质条件变化，煤层平均厚为6 m，工作面设计布置情况如图1。复采区域位于井田的中西部，约0.13 km2，尚有剩余储量约66万t，在布置30106工作面过程中共发现主要空巷6条，通过对揭露的空巷现场调研及分析后发现，残留空巷宽度一般在3.5～4.2 m，高度为2.7～3 m，局部空巷高度为6.0～7.0 m，多为矩断面，空巷揭露情况见表1。

工作面回采实体煤时，回采空间受到基本顶周期性破断断裂块形成的结构产生的保护作用。但如果复采工作面推进至回采工作面内平行空巷时，基本顶的破断位置会前移至空巷前距实体煤较近岩层，破断前悬顶加长，破断后，由于煤柱产生破坏，支架前方容易造成切顶事故，支架工作阻力也随破断岩块尺寸变大而增加，造成冒顶、支架压架事故。

图1 30106复采工作面布置及空巷揭露平面

表1 30106复采工作面空巷揭露汇总

2 复采工作面基本顶超前断裂分析

由于空巷，煤柱与前方实体煤不存在相互水平作用力而导致失稳状态。即使空巷宽度小，复采工作面也可能超前断裂。所以建立如图2所示模型，研究必然断裂时的空巷宽度。

图2 空巷临界宽度力学分析模型

煤柱的失稳破坏发生在宽度W小于临界失稳宽度W*，顶板岩层失去煤柱支撑力形成长度较大的悬臂梁结构，结构固支端剪切力、弯矩最大。基本顶在其固支端的剪切力、弯矩由于顶板受力状态的改变而增大。空巷宽度较大煤柱失稳，悬臂梁折断时基本顶的悬臂长度lx大于等于其极限破断步距l(即回采实体煤时周期来压步距)，即Lx=lx+W+Ax>l。

因此，此时空巷宽度Ax

Ax≥l-lx-W*

(1)

式中：Ax为空巷宽度，m；l为回采实体煤时周期来压步距，m；lx为复采工作面与上次周期断裂线距离，m；W*为煤柱失稳临界宽度。

其中煤柱失稳临界尺寸用公式(2)计算:

(2)

式中:ρ为覆岩平均视密度，kg/m3；H为平均采深，m；σc为煤层单抽抗压强度，MPa；g为重力加速度；M为采高；B为煤柱承载覆岩宽度，m，其中空巷上覆岩层覆岩一半和部分复采工作面基本顶结构与其上覆岩层的重量。其等效宽度为：

(3)

悬臂梁结构达到极限破断步距和复采面与周期断裂线距离最小时，这个宽度为超前断裂的充分条件，即lx=0且Lx= l将上述条件及式(1)(3)代入公式(2)得：

(4)

式中：A0为空巷临界宽度。

(5)

根据工作面顶板，运用RST采场矿压分析软件得l=12 m，将ρ=2 600 kg/m3，H=220 m，σc=19 000 kN/m2，l=12 m。

代入(4)式可得空巷临界宽度A0为:

=4.114 m

超前断裂出现在4.114 m宽的空巷时，结合表1可知当30106复采工作过平行空巷时必然引起超前断裂。

3 充填空巷复采可行性分析

由表1分析可知，30106复采工作面过平行空巷时必然引起超前断裂。如果采用充填材料将空巷充满，使其基本恢复原岩状态，则原本空巷的位置相当于由充填材料替换了煤体的正常工作面，使空巷与工作面之间的煤柱仍具较强承载能力，则不需要对空巷进行维护。利用FLAC3D软件对30106工作面充填空巷复采可行性进行研究。

建立长×宽×高=250 m×220 m×70 m的模型，煤岩体采用莫尔-库伦本构模型，液压支架线弹性本构模型，重力g=-9.81 m/s2。模型限制底部、侧面水平位移，上部应力边界模拟覆岩载荷，进行一次平衡计算模拟开挖前状态。利用Extrusion模块输入液压支架关键点位并连接，划分网格后生成液压支架并导入模型开切眼内组合。地层模型如图3，液压支架模型如图4。

图3 地层模型

图4 液压支架模型

当推进至距空巷4 m，煤柱达到临界尺寸失去对顶板的支撑力，此时支架阻力最大，此时围岩关系及支架阻力分析如图5、图6。

对比图5中(a)(c)可知，复采工作面距空巷4 m时，煤柱几乎没有应力集中区域表明煤柱基本失去承载能力，不同的是充填空巷支承压力并没有发生转移，特别在空巷左侧并未形成应力集中区域，这表明由于充填体的存在，使得煤柱在空巷侧承受压力减小，且由于侧向约束的存在使得煤柱发生破坏的范围减小。

图5 复采工作面距空巷4 m时空巷充填与否围岩关系对比

对比图5中(b)(d)可知，复采工作面距空巷4 m时，空巷附近及煤柱围岩基本全部发生塑性破坏，但充填空巷后支架上方塑性破坏基本维持在顶煤及直接顶处，并未发生超前破断，由此可知充填空巷可以有效解决复采工作面过空巷超前破断问题。

由图6(a)(b)对比分析可知，空巷充填与否液压支架前柱压力大于后柱，表明复采工作面仍符合放顶煤开采的固有规律。但当复采工作面前方空巷被充填后，有效抑制超前断裂的发生，当工作面距空巷4 m时，支架立柱油压并未发生明显增长，液压支架立柱油压最大值为25.4 MPa(四柱油压均值，对应工作阻力4 220 kN)，此阻力小于矿井现有的ZF4800/17/33型放顶煤液压支架，若不充填空巷，受到前方空巷影响工作面顶板发生超前破断导致支架受力迅速增大，液压支架立柱油压最大值为30.7 MPa(四柱油压均值，对应工作阻力5 101 kN)，此阻力大于矿井现有的ZF4800/17/33型放顶煤液压支架，表明对空巷采取充填措施后使得现有支架能够符合30106实际工况。

图6 距空巷4 m时空巷充填与否支架应力对比

4 结 语

1) 通过建立力学模型，对复采工作面前方有平行空巷时进行受力分析，给出了考虑煤柱承载、复采工作面与上次周期断裂线距离、周期来压步距等影响因素的基本顶产生超前断裂的充分条件。

2) 通过数值模拟分析了复采工作面的围岩应力及塑性区分布，通过对比分析得出充填空巷能够有效改善复采工作面围岩受力情况。

3) 通过对支架的受力分析可知，当复采工作面前方空巷被充填后，能够有效抑制超前断裂的发生，证明了充填空巷复采的可行性。