厚煤層綜采放頂煤工藝區(qū)段小煤柱技術(shù)創(chuàng)新分析

鄧勇軍

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司五礦，山西　陽泉　045209）

引言

隨著時(shí)代科技的不斷發(fā)展，沿空掘巷技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，已然成為一項(xiàng)成熟的新技術(shù)。現(xiàn)如今的沿空掘巷技術(shù)一般都應(yīng)用于中厚煤層，采用預(yù)留一部分區(qū)域設(shè)置小煤柱的方法，采放的高度通常不超過6m，礦山所造成的壓力比較穩(wěn)定。但是，硯北煤礦屬于礦山壓力超強(qiáng)的顯現(xiàn)礦井，開采的方式屬于特厚每層的分層開采法，若是在此種條件下，仍然能將沿空掘巷技術(shù)實(shí)驗(yàn)成功，那對于此類技術(shù)的發(fā)展無疑是具有相當(dāng)大的意義的，也將開創(chuàng)厚煤層開采技術(shù)的先河，為拓寬沿空掘巷技術(shù)的使用范圍做出重大貢獻(xiàn)，為煤礦開采的從業(yè)人員提供更多的思路和選擇，同時(shí)還可以節(jié)約資源，減少不必要的浪費(fèi)，也能大大提高礦井的安全性。

1　小煤柱技術(shù)的定義

小煤柱開采技術(shù)實(shí)際上源于無煤柱開采技術(shù)，就是在區(qū)段和區(qū)段中預(yù)留3～5m的小煤柱來支撐礦井下的壓力從而保護(hù)巷道不變形。

2　小煤柱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1）小煤柱技術(shù)在地應(yīng)力上具有優(yōu)勢，其所設(shè)置的回風(fēng)槽恰好規(guī)避了外營力較為集中的區(qū)域，巷道所受到的壓力較小，變形程度較小，支護(hù)起來十分方便。另外小煤柱對于頂板情況的適應(yīng)性強(qiáng)，不論完整程度如何都可以架設(shè)。

2）小煤柱技術(shù)在瓦斯治理時(shí)的效果十分突出，治理效果明顯。

3）小煤柱技術(shù)可以減少對于臨近煤層的瓦斯治理。小煤柱技術(shù)的效果和持續(xù)性都是相當(dāng)優(yōu)異的，這種優(yōu)勢甚至可以對于臨近煤層有一定影響，簡直可以稱得上一勞永逸，這就使得工人不必經(jīng)常擔(dān)心瓦斯問題而不得不反復(fù)治理，節(jié)省了大量工作成本。

4）小煤柱技術(shù)對于煤炭資源的節(jié)省大為有利。相較于之前的技術(shù)，小煤柱技術(shù)不但操作簡便、使用方便，而且對于煤炭資源的節(jié)省也極為可觀，對于煤炭資源的利用率最高。

3　硯北煤礦概述

硯北煤礦現(xiàn)在已經(jīng)開始對5號(hào)煤層進(jìn)行開采，最深的地方可以達(dá)到800m。5號(hào)煤層的傾斜角度為0°～9°，屬于特厚型煤層[1]，煤層的平均厚度可以達(dá)到37.5m，沖擊地壓性表現(xiàn)的相當(dāng)強(qiáng)烈，具體情況見表1。

表1　5號(hào)煤層巖性

4　實(shí)驗(yàn)工作面布置

本次試驗(yàn)的地點(diǎn)初步定為硯北煤礦250206上的工作面運(yùn)輸巷，工作面的傾向長為200m，走向長為2 000m[2]。工作面地處于5號(hào)煤層的中間地帶，頂部和底部均有十米左右的頂煤或底煤[3]；位于其東邊的是預(yù)留了7.6m小煤柱的另一工作面，而西部就是煤層了。工作面的高度為1 039～1 157m，運(yùn)輸巷的埋藏深度為410m，具體情況見下頁圖1。

5　對煤柱寬度的計(jì)算

圖1　實(shí)驗(yàn)布置圖

區(qū)域煤柱的最佳尺寸就是在受到工作面回采的影響時(shí)，煤柱可以保持穩(wěn)定的最小尺寸，而限制巷道縫隙與采空區(qū)縫隙的聯(lián)通以及煤柱抗壓強(qiáng)度極限大于受到開采影響時(shí)產(chǎn)前側(cè)向支撐壓力的峰值則是保持煤柱穩(wěn)定的基本條件，也就是要做到煤柱一定要留存一些保持寬度的彈性區(qū)間。

煤柱抗壓強(qiáng)度的極限的計(jì)算方式如下：

式中：η是煤層的流變系數(shù)，取0.38；σc是煤層試塊的抗壓強(qiáng)度[4]，取17.37MPa。按照煤巷的應(yīng)力平衡理論，煤柱的最小寬度計(jì)算方法為：

式中，B是煤柱的寬度，m；x1是煤柱的塑性區(qū)寬度，m；x2是錨桿插入煤柱的深度，取2.2m；x3是安全寬度，為 0.15（x1+x2）；m 是煤層厚度，取 15.6m；A 是側(cè)壓系數(shù)，取 0.4；C0是煤層內(nèi)聚力，取 6.34MPa；φ0是煤層內(nèi)摩擦角，取25.2°；Px是支護(hù)強(qiáng)度[5]，取0.3 MPa。

根據(jù)硯北煤礦自身煤層的特點(diǎn)以及物理學(xué)原理，計(jì)算出的最小寬度為7.31m。

6　計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)硯北煤礦的巖性特點(diǎn)和剛才計(jì)算得出的數(shù)值，建立FLAC3D模擬數(shù)值模型，見表2。

為了對煤柱寬度不同而造成煤巖變形程度不同進(jìn)行詳細(xì)分析，特選取煤柱寬度為3m、5m、10m、15m、30m五種方法，結(jié)果見圖2。

表2　硯北煤礦不同性質(zhì)FLAC3D模擬數(shù)值基礎(chǔ)表

圖2　煤柱寬度與巷道圍巖變形的關(guān)系

在對煤礦煤巖層的數(shù)值進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)以煤層柱狀圖及物力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，構(gòu)建FLAC3D數(shù)值模擬模型，為了確保能夠完成對煤柱不同寬度區(qū)域內(nèi)的煤巖受力變形情況進(jìn)行分析，煤柱的寬度應(yīng)分別設(shè)置為3m、5m、10m、15m、30m，對不同的煤柱寬度分別進(jìn)行計(jì)算，煤柱寬度與巷道圍巖變形的關(guān)系如圖2所示，通過對圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，煤柱的尺寸會(huì)隨著巷道變形而發(fā)生變化，煤柱尺寸越小，巷道的變形量越大。在煤柱寬度為5m時(shí)，與寬度為10m進(jìn)行對比，可知巷道頂板的下沉量會(huì)隨時(shí)增加，而兩側(cè)的移近量呈現(xiàn)出減少趨勢，煤柱內(nèi)部會(huì)遭受到嚴(yán)重的剪切及破壞。以上研究結(jié)果表明，模擬分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果相符合，在選擇煤柱寬度時(shí)，以10m左右為最佳。

7　現(xiàn)場分析

粗略來看，在工作面上按照計(jì)算得出的7.6m預(yù)留煤柱，巷道變形不明顯，頂層煤層不坍落，實(shí)驗(yàn)基本成功。

若想得出比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，監(jiān)測站的布置必不可少，而布置監(jiān)測站的時(shí)候，一定要按照相應(yīng)的規(guī)定進(jìn)行，而且因?yàn)槌跗谥ёo(hù)時(shí)的變形程度高，每天監(jiān)測的頻次必須要高于四次，檢測結(jié)果的反饋一定要及時(shí)。若是發(fā)現(xiàn)圍巖劇烈變形。一定要立刻將一切工程停止并分析原因，爭取找出解決方案。通過在工作面巷道內(nèi)設(shè)立的7個(gè)監(jiān)測站檢測錨桿的受力情況和煤柱應(yīng)力，分析出三點(diǎn)情況：第一，小煤柱之中有一個(gè)應(yīng)力峰值區(qū)域，其位置基本不發(fā)生改變，距離側(cè)壁大約3m，在工作面不斷前進(jìn)時(shí)，峰值右側(cè)2m的應(yīng)力升高，達(dá)到最大之后回落，說明煤體經(jīng)歷了彈性形變和塑性形變兩種方式。第二，小煤柱的應(yīng)力峰值兩側(cè)應(yīng)力降低速度快且明顯，這標(biāo)志著巖層運(yùn)動(dòng)對于煤柱的影響已經(jīng)完成。第三，峰值區(qū)左邊煤柱應(yīng)力高于右邊，意味著支護(hù)形式和參數(shù)的合理選用對煤柱的強(qiáng)度有所加強(qiáng)。

[1]王剛.厚煤層綜采放頂煤工藝區(qū)段煤柱采用小煤柱技術(shù)創(chuàng)新[J].現(xiàn)代企業(yè)，2016（9）：65-66.

[2]韋全軍，張曉波.3310綜采工作面小煤柱補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新[J].科技傳播，2013（3）：119.

[3]楊英明.動(dòng)力擾動(dòng)下深部高應(yīng)力煤體沖擊失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[4]宋平.斜溝礦厚煤層錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷與支護(hù)技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[5]牛建立.煤層底板采動(dòng)巖水耦合作用與高承壓水體上安全開采技術(shù)研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2008.