綜放工作面巷道煤柱留設(shè)控制技術(shù)的探究

王 偉

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

工作面保護(hù)煤柱的尺寸大小，是檢驗(yàn)一個礦井資源回收率和精細(xì)化開采效率的重要標(biāo)準(zhǔn)。受不同礦井水文地質(zhì)條件、井田布置方式及煤層理化性質(zhì)的影響，煤柱留設(shè)彼此之間存在很大差異，借鑒性不強(qiáng)。煤柱尺寸過小容易造成頂板圍巖承載能力不足，引發(fā)一系列頂板事故，而煤柱留設(shè)過大又容易導(dǎo)致資源浪費(fèi)。因此非常有必要對工作面煤柱留設(shè)的合理尺寸進(jìn)行研究，提高礦井精細(xì)化開采水平。

1 岳城煤礦3 號煤層概況及其在回采中存在問題

岳城煤礦主采3 號煤層，煤層平均厚度5.75 m，煤層及直接頂、底板強(qiáng)度均較低。該礦采面為多巷布置，相鄰巷間煤柱為50 m。1306 工作面為該礦一盤區(qū)第六個工作面，工作面東部為工作面東部為主回風(fēng)井，西部為西翼盤區(qū)，北部為膠帶大巷，南部為礦井保護(hù)煤柱。工作面原煤柱尺寸為15 m，工作面順槽巷道沿頂?shù)装寰蜻M(jìn)，最大巷道斷面為28 m2左右。工作面超前加強(qiáng)支護(hù)采用木垛梁及液壓單體支柱，其煤巖基本情況如表1 所示。

表1 煤巖結(jié)構(gòu)及巖性特征

巷道局部地段處于奧灰水位以下。工作面絕對瓦斯涌出量0.65～1.55 m3/min，相對瓦斯涌出量0.45～0.85 m3/t，絕對二氧化碳涌出量0.35～0.74 m3/min，相對二氧化碳涌出量0.26～0.55 m3/t，瓦斯含量4.15～6.15 m3/t。屬低瓦斯工作面。

工作面回采至距停采線450 m 時，回采巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r出現(xiàn)不同程度變形，頂板破碎并形成網(wǎng)包，最大網(wǎng)包下沉量達(dá)到80 mm，超前支護(hù)段底鼓，底板破裂，造成部分單體柱失效傾倒，出現(xiàn)“吊柱”現(xiàn)象，巷道兩幫也出現(xiàn)不同程度網(wǎng)包，并伴有間歇性煤炮聲。

2 原因分析

回采巷道煤柱留設(shè)失效主要包括如下原因：一是巷道基本支護(hù)失效，即原錨網(wǎng)梁支護(hù)或架棚支護(hù)失效，造成巷道圍巖整體失穩(wěn)；二是加強(qiáng)支護(hù)失效，即后期補(bǔ)打錨索或套棚支護(hù)不能受力，降低巷道補(bǔ)強(qiáng)效果；三是煤柱支護(hù)失效，即保護(hù)煤柱因設(shè)計(jì)、煤質(zhì)條件即頂板來壓等原因失穩(wěn)（如圖1-1），出現(xiàn)不同程度損壞甚至煤柱坍塌（如圖1-2），其破壞過程如圖1 所示。

圖1 護(hù)巷煤柱支護(hù)失效與整體垮塌示意圖

3 小煤柱尺寸模擬

利用FLAC3D 數(shù)值軟件建立岳城煤礦采場數(shù)值模型，參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 岳城煤礦采場數(shù)值模型參數(shù)設(shè)置

模擬按照理論計(jì)算值域，煤柱留設(shè)尺寸分為10 m、8 m、6 m、4 m 四種工況，各種工況條件下垂直應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。

圖2-1：當(dāng)留設(shè)煤柱寬度在10 m 左右時，中央彈性核寬度為13.95 m；煤柱應(yīng)力較為集中，主要原因?yàn)閭?cè)向支承壓力疊加。

圖2-2：當(dāng)留設(shè)煤柱寬度在8 m 左右時，中央彈性核寬度為3.02 m；此時煤柱應(yīng)力集中程度減小，彈性核減小，說明側(cè)向支承壓力疊加效果進(jìn)一步明顯。

圖2 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力（Pa）分布云圖

圖2-3：當(dāng)留設(shè)煤柱寬度在6 m 左右時，中央彈性核寬度為0 m，說明此時煤柱彈性核消失，煤柱支撐力達(dá)到臨界值。

圖2-4：當(dāng)留設(shè)煤柱寬度在4 m 左右時，中央彈性核寬度不再變化，說明此時側(cè)向支承壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，煤柱臨界值為6 m 左右。

4 圍巖控制方案

4.1 淺掘強(qiáng)化

根據(jù)現(xiàn)場工作面圍巖特性，采用淺掘深、輕擾動圍巖的掘進(jìn)方式，要求掘進(jìn)機(jī)減少一次進(jìn)深，提高截割頭轉(zhuǎn)數(shù)，降低截割頭移動速度，初期進(jìn)深暫定0.8 m，試驗(yàn)中依據(jù)圍巖完整性及齒痕狀況，作相應(yīng)調(diào)整。同時在頂板及兩幫施工全黏結(jié)式錨桿（索），試驗(yàn)中依據(jù)圍巖完整性及其活動監(jiān)測，相應(yīng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

4.2 封強(qiáng)底板

底板強(qiáng)固包括清底、錨固、澆筑人工底板等工序。即在工作面采動影響未到來之前對巷道底板施設(shè)底板錨桿進(jìn)行加固，保證巷道底板巖層的整體塑性。錨桿采用1.5 m 長的全黏結(jié)式錨桿，間排距均為1.0 m，垂直底板打設(shè)。同時在底板鋪設(shè)底板金屬網(wǎng)，并在金屬網(wǎng)上澆筑混凝土，構(gòu)成人工鋼筋混凝土底板。無載荷人工底板厚50 mm，載荷底板厚200 mm、400 mm，依據(jù)荷載要求選擇確定。

4.3 護(hù)巷煤柱加固

護(hù)巷煤柱在正常巷道煤幫基礎(chǔ)上，將一排錨桿改為錨索，錨桿長2.4 m，錨索長4.3 m。采用現(xiàn)有錨桿（索），并實(shí)行全黏結(jié)式錨固形式，即需將錨余空間密封固結(jié)后，再安設(shè)錨桿（索）鎖具、托盤。煤柱兩側(cè)面鋼筋混凝土噴層厚度不小于50 mm，且與實(shí)體煤幫、鋼筋網(wǎng)、頂?shù)装鍑妼泳o密凝結(jié)。留巷側(cè)煤柱幫錨索在中間排，垂直巷道軸線，與煤層面上仰5°；在其上方與下方各布置一排錨桿，垂直巷道軸線，與煤層面平行。空區(qū)側(cè)煤柱幫錨索在最上排，垂直巷道軸線，與煤層面上仰5°；在其下方布置二排錨桿，垂直巷道軸線，與煤層面平行。

5 現(xiàn)場效果

在現(xiàn)場進(jìn)行了為期三個月的工業(yè)性試驗(yàn)，以2號橫川處工作面煤柱尺寸改變后的橫川處變化和底板變化為例，改造后的效果圖如圖3。

圖3 小煤柱整體視圖

由圖3 可以看出，試驗(yàn)巷道段2 號橫川處現(xiàn)巷道保護(hù)煤柱尺寸為6 m，頂?shù)装寮皟蓭筒扇〕凹庸檀胧┖螅ぷ髅鎳鷰r能夠保持整體塑性，頂?shù)装?、兩幫移近量均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，說明煤柱處于工作面?zhèn)认蛞苿又С袎毫Φ膽?yīng)力降低區(qū)，在合理支護(hù)阻力下能夠保障圍巖在回采期間的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

針對岳城煤礦主采3 號煤層賦存條件和工作面實(shí)際情況，分析了1306 工作面煤層巷道失穩(wěn)的基本原因?yàn)橹ёo(hù)煤體為松散結(jié)構(gòu)，隨著時間推移和采動影響，松散結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致錨桿（索）支護(hù)效果逐漸喪失，頂板發(fā)生局部破壞直至整體失穩(wěn)，并針對性地設(shè)計(jì)了工作面留設(shè)6 m 保護(hù)煤柱的技術(shù)方案，現(xiàn)場結(jié)果表明，1306 工作面留設(shè)6.0 m 煤柱是可行的，煤柱處于工作面?zhèn)认蛞苿又С袎毫Φ膽?yīng)力降低區(qū)，在合理支護(hù)阻力下，能夠保障圍巖在回采期間的穩(wěn)定性。綜上研究表明，岳城煤礦綜采工作面留設(shè)小煤柱的技術(shù)方案是可行的，對于提高井田回采率、降低巷道修復(fù)工程量、緩解礦井生產(chǎn)接續(xù)等問題具有重要的指導(dǎo)意義。