窄煤柱的留設(shè)和礦壓機(jī)理分析

范新民

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司鎮(zhèn)城底礦,山西省太原市,030203)

★煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★——兗州煤業(yè)股份有限公司協(xié)辦

窄煤柱的留設(shè)和礦壓機(jī)理分析

范新民

(山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司鎮(zhèn)城底礦,山西省太原市,030203)

運(yùn)用理論分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法研究分析了鎮(zhèn)城底煤礦不規(guī)則煤體回收工作面圍巖結(jié)構(gòu)特征、工作面礦壓顯現(xiàn)特征,對(duì)擬回收不規(guī)則煤體回采工作面頂板壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè),并據(jù)此確定了窄煤柱參數(shù)。

不規(guī)則煤體開(kāi)采 窄煤柱留設(shè) 礦壓機(jī)理

AbstractStructural characteristics of rock formations of working face of irregular coal bodies of Zhenchengdi Coal M ine has been studied by theoretical analysis and field investigation. The emerging characteristics of m ining p ressure of wo rking faces has been analyzed and the roof p ressure of working face for recovering irregular coal bodies of Zhenchengdi Coal M ine has been p redicted.Thus the design parameters of narrow coal pillars has been established.

Key wordsmining of irregular coal bodies,design of narrow coal pillars,rock psessmechanism

1 礦井概況與項(xiàng)目背景

鎮(zhèn)城底礦地處西山煤田西北邊緣,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a,于1986年11月20日投產(chǎn)。全井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂構(gòu)造發(fā)育。投產(chǎn)至今陸續(xù)揭露斷層620條,其中落差3 m以上斷層169條,斷層密度為3.9條/km2。這些斷層縱橫切割,嚴(yán)重影響采掘部署和采面效率,由于工作面只能在斷層之間布置,因此大多是孤島工作面,其周邊留下大量的煤柱和邊角三角煤。由于煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)的肥煤、焦煤,所以最大限度地提高資源回收率,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。提高資源回收率的辦法:

(1)可不留煤柱即無(wú)煤柱回采;

(2)布置短小工作面,盡量將斷層之間的資源回收;

(3)盡可能使煤柱幾何尺寸小。

本文針對(duì)減小煤柱幾何尺寸,即留設(shè)窄煤柱開(kāi)采這一方法進(jìn)行了實(shí)踐,并作了理論分析。

2 工程實(shí)例

2.1 22115工作面窄煤柱留設(shè)

南一采區(qū)22115工作面所采煤層為2#、3#煤層,北為12210已采工作面,南鄰22102-1已采工作面,北東為22117已采工作面,北西為22113工作面采空區(qū)。煤層厚度約3.19 m,煤層穩(wěn)定,煤層整體呈向斜構(gòu)造,軸向?yàn)楸?5°東。22115工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,與22117工作面間凈煤柱只有5 m。

2.2 18117工作面窄煤柱留設(shè)

18117工作面所采煤體,位于西一采區(qū),北鄰18113回采工作面 (已采空),南為西下組軌道巷、回風(fēng)巷、帶式輸送機(jī)巷,西鄰18115回采工作面和18111回采工作面 (已采空),東為18109回采工作面 (已采空),煤體總寬度僅約50 m,若不采用窄煤柱巷道布置,將無(wú)法采用壁式開(kāi)采。因此,經(jīng)過(guò)研究決定,18117工作面與18109工作面間僅留2 m煤柱。18117工作面長(zhǎng)40 m,走向長(zhǎng)750 m,采出煤炭近20萬(wàn)t。

3 礦壓與變形機(jī)理分析

3.1 小煤柱變形分析

雖然小煤柱的支撐作用不足以改變老頂巖塊的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),但老頂巖塊的回轉(zhuǎn)卻嚴(yán)重地影響著小煤柱的變形與破壞特征。下沉量。

圖1 小煤柱變形分析

煤柱處于塑性狀態(tài)時(shí),其橫向膨脹變形總量可按下式近似計(jì)算:

設(shè)煤柱中線兩側(cè)老頂巖塊的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2,總長(zhǎng)為L(zhǎng),如圖1所示,則巖塊回轉(zhuǎn)穩(wěn)定后煤柱及直接頂巖層的壓縮總量為:

若頂板、煤柱都處于彈性狀態(tài) (L1很小時(shí)可能出現(xiàn)的狀態(tài)),則各自的壓縮量分別為:

式中:△(Σh)——直接頂巖層的壓縮總量,m;

m——煤層厚度,m;

△m——煤柱的壓縮變形總量,m;

△h——煤柱及直接頂巖層的壓縮變形量, m;

KZ——煤柱碎脹系數(shù);

KDK——頂板碎脹系數(shù)。

若頂板處于彈性狀態(tài),而煤柱處于塑性狀態(tài),則△h幾乎全部為煤柱的塑性壓縮量 (彈性變形被忽略);反之,若頂板處于塑性狀態(tài),而煤柱處于彈性狀態(tài),則△h幾乎全部為頂板巖塊的塑性壓縮量?？梢?jiàn),若能通過(guò)支護(hù)措施提高煤柱的屈服強(qiáng)度,使其大于直接頂巖塊的屈服強(qiáng)度,從而使老頂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的支撐結(jié)構(gòu)的壓縮量盡可能多地被頂板所吸收,則可減小煤柱的壓縮量,從而減小頂板

式中:Lc——煤柱寬度,m;

△Lc——煤柱寬度橫向膨脹變形量,m;

Kc——煤柱碎脹系數(shù);

△m——煤柱的壓縮變形總量,m。

3.2 煤柱支承力與頂板下沉量的關(guān)系

根據(jù)以上分析,老頂巖塊形成砌體梁平衡結(jié)構(gòu)之前給煤柱造成的壓力由煤柱的壓縮量、剛度和強(qiáng)度所決定。老頂巖塊觸矸后,給煤柱造成的壓力將由砌體梁結(jié)構(gòu)承載作用的發(fā)揮程度決定,砌體梁結(jié)構(gòu)的承載作用又受煤柱和頂板統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體剛度的影響。通常,煤柱及頂板統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體的剛度大時(shí)煤柱中的壓力大;剛度小時(shí)壓力小;完全剛性時(shí)壓力最大,近似為老頂巖塊重量及其載荷的一半 (砌體梁的作用完全未發(fā)揮);剛度是0時(shí),壓力為0(砌體梁的作用完全發(fā)揮)。煤柱支承力與老頂回轉(zhuǎn)造成的頂板下沉量的關(guān)系由煤柱、頂板的剛度及強(qiáng)度的絕對(duì)大小和相對(duì)大小所決定,如圖2所示。

圖2 煤柱支承壓力與老頂回轉(zhuǎn)造成的頂板下沉量的關(guān)系

圖2中,橫軸為老頂巖塊處于平衡狀態(tài)所需的煤柱支承力,縱軸為老頂回轉(zhuǎn)造成的頂板下沉量。曲線1為煤柱的屈服強(qiáng)度小于頂板的屈服強(qiáng)度時(shí)的曲線,此時(shí),老頂巖塊的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需空間主要由煤柱的壓縮變形來(lái)提供。由于直接頂強(qiáng)度較高,傳力能力較強(qiáng),故煤柱支承壓力的可變化范圍較大,但其變化對(duì)頂板下沉量的影響不大;曲線2為煤柱的強(qiáng)度大于頂板的強(qiáng)度時(shí)的曲線,此時(shí),老頂巖塊的回轉(zhuǎn)變形空間主要由直接頂?shù)淖冃翁峁?。由于直接頂?qiáng)度較低,傳力能力不大,故煤柱支承壓力的變化范圍較小,且支承壓力的變化對(duì)頂板下沉的影響很小。

3.3 限定變形狀態(tài)分析

當(dāng)老頂巖塊位于煤壁內(nèi)的長(zhǎng)度較大時(shí),其回轉(zhuǎn)為限定變形方式。即由于煤柱-頂板支點(diǎn)距離轉(zhuǎn)動(dòng)軸較遠(yuǎn),故其支承力大小將會(huì)對(duì)老頂巖塊的回轉(zhuǎn)位移產(chǎn)生影響。以下僅就煤柱受力情況以及煤柱的屈服強(qiáng)度小于頂板的屈服強(qiáng)度時(shí)變形情況進(jìn)行討論。

圍巖結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí)煤柱變形與受力的關(guān)系曲線,如圖3所示,其中A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移值為老頂觸矸前煤柱所發(fā)生的壓縮變形量,其大小為:

式中:△U0——圍巖結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí)煤柱變形量,mm;

L1——煤柱中線內(nèi)老頂巖塊的長(zhǎng)度,m;

L——老頂巖塊的總長(zhǎng),m;

m——煤層采高,m;

K0——老頂碎脹系數(shù)。

圖3中A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的煤柱支承力為老頂巖塊觸矸前的值,依據(jù)關(guān)鍵層理論及砌體梁理論分析,其大小應(yīng)為

式中:Q——老頂巖塊自重及其載荷,N;

QD——破斷直接頂重量,N。

圖3 圍巖結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí)煤柱變形與受力的關(guān)系

可見(jiàn),老頂巖塊觸矸前形成平衡狀態(tài)所需的煤柱支承力為常量,但此階段的頂板下沉量卻為變量,這說(shuō)明老頂巖塊在觸矸之前的任意位態(tài),只要受到煤柱P0大小的支承力的作用,其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止。

老頂巖塊觸矸后,冒落矸石近似呈現(xiàn)粘塑性特性,按圖2中曲線2所示的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,發(fā)揮其支撐作用,從而使煤柱上的壓力隨變形的增加逐漸減小。圖3中B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的煤柱支承壓力為直接頂巖塊與老頂巖塊離層時(shí)的值,其大小為

式中:Pt——直接頂巖塊與老頂巖塊離層時(shí)的煤柱支承力。

之后,煤柱所受壓力將保持穩(wěn)定,但變形量可能繼續(xù)增加。

3.4 老頂斷裂位置處于煤壁之外

老頂斷裂位置處于煤壁之外時(shí),其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與斷裂位置處于煤壁之內(nèi)時(shí)相比無(wú)明顯區(qū)別,但老頂巖塊的回轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)煤柱變形造成直接影響,即老頂巖塊的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)幾乎與煤柱的變形無(wú)關(guān)。此時(shí)煤柱的變形、破壞特征主要取決于采、掘造成的應(yīng)力重新分布過(guò)程以及煤柱與直接頂力學(xué)參數(shù)以及其間的相對(duì)大小關(guān)系。

據(jù)前分析,根據(jù)采掘關(guān)系的不同,煤體-小煤柱回采巷道可分為沿空留巷和沿空掘巷兩種情況。通常,兩種情況下圍巖結(jié)構(gòu)的最終形態(tài)無(wú)明顯區(qū)別,因此,相應(yīng)位置的頂板及煤體的變形總量也基本一致。但是,若是老頂破斷位置在煤壁之外條件下的采后掘巷,且未破斷老頂?shù)膽衣堕L(zhǎng)度較大,則由于掘巷后支撐條件的減弱,老頂巖層可能再次于煤體內(nèi)發(fā)生斷裂,具體斷裂位置因懸露長(zhǎng)度及支撐條件的不同可能位于巷道上方、實(shí)體煤幫上方等。若如此,則新產(chǎn)生的老頂巖塊的回轉(zhuǎn)將對(duì)巷道穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生致關(guān)重要的影響,其情形將屬于上述限定變形狀態(tài)。沿空留巷與沿空掘巷的另一重大區(qū)別是巷道形成后圍巖及其支護(hù)所經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)變化過(guò)程的差異。

4 巷道支護(hù)及礦壓觀測(cè)研究

4.1 巷道支護(hù)

巖層結(jié)構(gòu)特征的分析以及沿空巷道應(yīng)力場(chǎng)特征的分析結(jié)果表明,不規(guī)則小塊段煤體邊緣區(qū)域在支承壓力多次重新分布過(guò)程中,大多處于不同程度的破碎狀態(tài),因此,在其服務(wù)期間要經(jīng)歷大變形過(guò)程。這就要求所采用的支護(hù)應(yīng)具備適應(yīng)大變形的能力。

巷道掘進(jìn)采用“錨桿+鋼筋梯子梁+金屬菱形網(wǎng)+錨索”進(jìn)行支護(hù),頂錨桿采用 M SGLW-335/20-2200型高強(qiáng)度錨桿樹(shù)脂錨桿,“5.5”排矩形布置,排間距 0.8 m×0.8 m,樹(shù)脂藥卷M SCK2355型、M SZ2355型各1卷。

頂錨索采用SKP(L)17.8-6/1860型錨索,長(zhǎng)度為6.3 m,“2.2”排矩形布置,排間距3.0 m ×2.4 m。

幫錨桿為M SGLW-335/18-1800型樹(shù)脂錨桿,距形布置,間排距0.9 m×0.8 m。

幫錨索為 SKP(L)17.8-6/1860型錨索,長(zhǎng)度為6.3 m、5 m等。

工作面回采時(shí)兩巷超前支護(hù)距離擴(kuò)大到100 m,支柱采用DZ28-25/100型外注式單體液壓支柱。

對(duì)于變形位移較大時(shí),采用劈幫拉底保證巷道最小斷面。

對(duì)于錨桿、錨索失效,頂板已破碎時(shí),套密集金屬棚支護(hù)并加大點(diǎn)柱支護(hù)。

4.2 采動(dòng)影響下窄煤柱掘進(jìn)礦壓觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析

4.2.1 礦壓觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

2008年8月中旬,開(kāi)始在22115運(yùn)輸巷道開(kāi)口施工,至9月2日已掘進(jìn)巷道130 m,距正在開(kāi)采的22117工作面煤壁5 m,開(kāi)始對(duì)巷道受采動(dòng)影響斷面變化情況進(jìn)行了觀測(cè),隨巷道掘進(jìn)在距開(kāi)口130 m、160 m、190 m、220 m、250 m共設(shè)測(cè)點(diǎn)5個(gè),進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn),22115運(yùn)輸巷道150～180 m段采掘交匯區(qū),小煤柱幫10余根錨索預(yù)留長(zhǎng)度縮減200～250 mm,頂幫回縮、底鼓嚴(yán)重, 190～280 m段,動(dòng)壓影響區(qū),頂?shù)装逡平坎淮?但兩幫回縮嚴(yán)重,最多移近1.65 m,是受影響最大的地段。

4.2.2 錨索 (桿)測(cè)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

22115運(yùn)輸巷道共安裝錨索 (桿)測(cè)力計(jì) 3個(gè),觀測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 22115運(yùn)輸巷道錨索 (桿)測(cè)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)

4.2.3 頂板離層儀數(shù)據(jù)分析

22115運(yùn)輸巷道共安裝頂板離層儀8個(gè),分別在里程 70 m、120 m、170 m、220 m、270 m、320 m、370 m、420 m處,觀測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 頂板離層儀數(shù)據(jù)

觀測(cè)數(shù)據(jù)分析:結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖變化情況,我們可以看出,未受采動(dòng)影響區(qū)域,僅有巖層淺部少量變化;采動(dòng)影響區(qū)域最大離層量?jī)H18 mm,未能反映實(shí)際情況,說(shuō)明頂板離層儀安裝區(qū)域不夠高,頂板在較大高度整體發(fā)生下沉;壓力穩(wěn)定區(qū)域頂板離層量最大24 mm,較能反映實(shí)際情況,即頂板離層量不大。

5 結(jié)論

(1)留小煤墻或窄煤柱沿空掘巷,可能正好使巷道處于殘存的支承壓力峰值下。掘巷之前的巷道和采空區(qū)之間的窄煤柱在掘巷后強(qiáng)度急劇降低,對(duì)頂板的支撐作用大幅度下降或消失,引起煤柱向巷道方向強(qiáng)烈地位移。巷道另一側(cè)的煤體也會(huì)因支承壓力的轉(zhuǎn)移效應(yīng)向巷道方向顯著變形。同時(shí),伴隨有頂板強(qiáng)烈下沉和底板鼓起。

(2)留小煤墻或窄煤柱護(hù)巷,圍巖變形的顯著特征是圍巖變形量遠(yuǎn)大于沿空掘巷,同時(shí),巷道的壓力主要來(lái)自小煤墻或窄煤柱一側(cè)。

(3)沿尚未穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘巷,由于上覆巖層的大范圍移動(dòng)沒(méi)有終止,所以即使是護(hù)巷煤柱寬度較大,掘巷期間的圍巖變形量仍然很大,巷道維護(hù)困難,因而很少采用?，F(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)間約1～2個(gè)月,采空區(qū)穩(wěn)定后掘巷效果較好,采煤超前壓力對(duì)掘進(jìn)巷道影響不大。

(4)采掘初次交鋒對(duì)巷道掘進(jìn)影響不大。

(5)采煤工作面后方100 m內(nèi)采空區(qū)壓力對(duì)掘進(jìn)巷道影響較大。

(6)巷道實(shí)體右側(cè)壓力顯現(xiàn)大,位移大,但與西下組2 m小煤柱相比左側(cè)幫壓力顯現(xiàn)也偏大。

(7)錨、網(wǎng)、梁、索結(jié)合點(diǎn)柱支護(hù)可以經(jīng)受采動(dòng)影響,巷道變形在控制范圍內(nèi)。根據(jù)不規(guī)則煤體應(yīng)力狀態(tài)及物性狀態(tài)特征,巷道布置采用沿空巷道;根據(jù)回采巷道的大變形特征,巷道圍巖控制原則確定為變形控制的原則。采用以上巷道圍巖控制措施后,提高了支護(hù)系統(tǒng)的變形適應(yīng)性,并有效防止了破碎圍巖的漏冒,提高了巷道的穩(wěn)定性。

(8)鎮(zhèn)城底煤礦采用窄煤柱布置技術(shù)共開(kāi)采回收了5個(gè)工作面,回收煤炭約160萬(wàn)t,與常規(guī)煤柱生產(chǎn)工藝相比,多回收煤炭約40萬(wàn)t,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益2億元。延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限5年。

[1]錢鳴高.采場(chǎng)礦山壓力與控制 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983

[2]王同旭,秦忠誠(chéng),時(shí)連強(qiáng).圍巖變形的時(shí)間性與支護(hù)作用原理 [J].礦山壓力與頂板管理,2001(4)

[3]兗礦集團(tuán)有限公司編.兗礦集團(tuán)有限公司煤巷錨桿支護(hù)技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2001

(責(zé)任編輯 張毅玲)

The design,reservation of narrow coal pillarsand analysis of m in ing pressure mechan ism

Fan Xinmin

(Zhenchengdi M ine,Xishan Coal&Power Group L td.Of Shanxi Coking Coal Group, Taiyuan,Shanxi p rovince 030201,China)

B

范新民 (1964-),男,高級(jí)工程師,礦長(zhǎng),長(zhǎng)期從事煤礦生產(chǎn)和建設(shè)技術(shù)管理工作;在井巷支護(hù)、礦山壓力及巖層控制等方面具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)/軟巖工程與深部災(zāi)害控制分會(huì)理事。