復(fù)采煤層L型工作面末采煤柱留設(shè)及加固技術(shù)研究

楊文平

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

殘煤復(fù)采較正規(guī)煤層開采技術(shù)難度大，存在一些不確定因素，如頂板未冒落、存在空洞、內(nèi)部有積水或其他有毒有害氣體等；或是已冒落或局部冒落，但未形成再生頂板；或冒落矸石松散堆積，在復(fù)采過(guò)程中存在頂板不穩(wěn)定、壓力集中等現(xiàn)象。以上情形均會(huì)給工作面末采煤柱留設(shè)和巷道維護(hù)帶來(lái)較大不確定性。

霍州煤電薛虎溝煤業(yè)2-106工作面為復(fù)采煤層L型工作面，分2-106A和2-106B兩個(gè)工作面。2-106B回采面設(shè)計(jì)與106A2巷間留設(shè)80m保護(hù)煤柱。為了盡可能多地回收煤炭資源，提高采區(qū)回收率，確保工作面的回采推進(jìn)速度，對(duì)2-106B末采煤柱尺寸留設(shè)及巷道圍巖加固技術(shù)進(jìn)行了研究，確保在滿足礦井安全生產(chǎn)條件下，最大限度地采出煤炭資源。

1 概況

2-106回采工作面設(shè)計(jì)為“L”型，如圖1所示，分2-106A和2-106B聯(lián)合布置。2-106A沿2#煤層走向布置，走向長(zhǎng)度790m，工作面長(zhǎng)度200m；2-106B沿2#煤層傾向布置，傾向長(zhǎng)度470m，工作面長(zhǎng)度230m。2-106A面接替2-106B面回采，2-106B面采用傾向長(zhǎng)壁后退式開采，2-106A面采用走向長(zhǎng)壁后退式開采。2-106A1巷設(shè)計(jì)790m，采用29U型鋼棚支護(hù)，棚距0.8m，巷道斷面為三心拱斷面。2-106A2巷前560m巷道斷面為三心拱斷面，采用29U型鋼棚支護(hù)，棚距0.8m，后部230m巷道斷面為梯形，采用12#礦工鋼棚支護(hù)，棚距0.6m。后部230m巷道揭露小煤窯空巷、采空區(qū)5個(gè)，影響長(zhǎng)度67m。2-106B工作面的整體開采區(qū)域主要針對(duì)殘煤進(jìn)行二次開采，而且在作業(yè)過(guò)程中需要盡量減少房柱破壞后所造成的影響。因此需要對(duì)煤層的高度進(jìn)行調(diào)整，保證工作面整體的傾斜性，并且還要保證傾斜角度與傾斜導(dǎo)向。工作面地面標(biāo)高730～870m，底板標(biāo)高666～684m，工作面埋深60～186m，頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 2-106B工作面頂?shù)装迩闆r

圖1 2-106工作面布置圖

2 106回采工作面礦壓規(guī)律監(jiān)測(cè)

為了獲得2-106B回采工作面超前支承壓力影響范圍以及頂板應(yīng)力集中系數(shù)，在2-106B回采工作面的前方煤體80m處布置了2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（2個(gè)斷面間距20m，每個(gè)斷面安裝3個(gè)圍巖應(yīng)力計(jì)，孔深分別為5m、10m、15m）。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，2-106B回采工作面超前支承壓力影響范圍為18.4m，應(yīng)力峰值點(diǎn)在5.6～7.5m范圍內(nèi)，最大超前應(yīng)力集中系數(shù)為2.61。

3 煤柱尺寸數(shù)值模擬計(jì)算

（1）建立具體模型

以2-106B工作面工程地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬研究2-106B工作面推進(jìn)方向停采煤柱應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征。模型尺寸為164.4m×20m×50m?？紤]工作面在地層中所處的深度150m，地應(yīng)力邊界條件根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行施加，垂直應(yīng)力3MPa。由于此區(qū)構(gòu)造應(yīng)力影響不明顯，水平應(yīng)力1.11MPa，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。模型除上部邊界自由外，其余邊界固定。關(guān)于煤層走向問(wèn)題，需要針對(duì)煤層工作面的傾斜角度進(jìn)行勘測(cè)，同時(shí)還要保證煤柱寬度在合理范圍內(nèi)，盡量保證模型整體的平衡性。因此可以先針對(duì)2-106A2巷進(jìn)行挖掘，在此過(guò)程中需要應(yīng)用棚架、錨索以及單體柱等固體支架。等圍巖穩(wěn)固后再開挖2-106B工作面。分別對(duì)不同煤柱寬度下沿工作面推進(jìn)方向煤柱的垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況進(jìn)行分析。

圖2 圍巖應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)曲線圖

（2）垂直應(yīng)力分布

根據(jù)煤柱的垂直分布情況對(duì)煤柱自身的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并且詳細(xì)記錄動(dòng)態(tài)。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為25m時(shí)，不僅煤柱較為穩(wěn)定，而且工作面周圍區(qū)域的結(jié)構(gòu)形態(tài)也都較為穩(wěn)定。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為20m時(shí)，煤柱自身的垂直應(yīng)力能夠保持不變，但是工作面周圍區(qū)域的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)了一定的變化，非對(duì)稱拱形分布與集中垂直力初步形成，并且逐漸降低采空區(qū)周圍的穩(wěn)定性。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為15m時(shí)，煤柱自身的垂直應(yīng)力雖然有少許變化，但是沒(méi)有產(chǎn)生本質(zhì)變化，而工作面周圍區(qū)域開始呈現(xiàn)出較為明顯的拱形分布變化，并且采空區(qū)與巷道附近的集中力逐漸縮小，最終影響到煤柱的穩(wěn)定性。最后，當(dāng)煤柱留設(shè)保護(hù)寬度為10m時(shí)，煤柱內(nèi)部產(chǎn)生垂直力集中的現(xiàn)象，為5～7MPa之間，應(yīng)力集中系數(shù)為1.6～2.3，整體呈現(xiàn)出非常明顯的拱形分布形式，煤柱穩(wěn)定系數(shù)非常低。

（3）煤柱破壞狀態(tài)分布

根據(jù)相關(guān)研究能夠了解到，當(dāng)煤柱產(chǎn)生不同程度的塑性破壞時(shí)，煤柱自身的寬度變化也會(huì)存在差異。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為25m時(shí)，煤柱的兩側(cè)會(huì)形成拉破壞與剪破壞，會(huì)對(duì)煤柱與周邊區(qū)域的穩(wěn)定性造成影響，但是由于大部分未受到破壞，因此整體穩(wěn)定性還算良好。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為20m時(shí)，煤柱所受到的應(yīng)力會(huì)逐漸增大，并且逐漸破壞環(huán)境的穩(wěn)定程度。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為15m時(shí)，煤柱承載的拉伸力與剪切力會(huì)貫穿整個(gè)煤柱，從而對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞。當(dāng)煤柱的留設(shè)保護(hù)寬度為10m時(shí)，煤柱整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全破壞，進(jìn)而已經(jīng)喪失了穩(wěn)定性。

綜上所述，留設(shè)10m保護(hù)煤柱時(shí)，受工作面采動(dòng)影響煤柱極易發(fā)生失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)；留設(shè)15m保護(hù)煤柱時(shí)，煤柱穩(wěn)定性受開采擾動(dòng)依然較為明顯；而留設(shè)20m保護(hù)煤柱時(shí)，煤柱處于穩(wěn)定臨界狀態(tài)。綜合考慮煤柱尺寸對(duì)礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的影響，建議2-106B工作面停采保護(hù)煤柱采取加固措施后留設(shè)寬度為20m。

4 巷道補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)方案

2-106A2巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式確定采用錨索+單體液壓支柱的方式，兩根錨索+工字鋼梁懸吊5架工字鋼梯形棚，同時(shí)，在梯形棚兩側(cè)各打一根單體液壓支柱。2-106A2巷道的超前支護(hù)措施是采用在兩架梯形棚中間的兩幫各補(bǔ)打一個(gè)單體支柱，在巷道中間偏右側(cè)補(bǔ)打一個(gè)單體支柱。如圖3、圖4所示。

5 應(yīng)用情況

2-106回采工作面設(shè)計(jì)為“L”型，分2-106A和2-106B聯(lián)合布置。由于受小煤窯開采破壞，2-106A2巷上方多處為冒落矸石松散堆積且未形成再生頂板。為確保2-106A2巷在2-106A工作面回采期間的安全使用，初始設(shè)計(jì)留有80m保護(hù)煤柱。通過(guò)以上計(jì)算分析確定煤柱留設(shè)20m。對(duì)應(yīng)106B工作面的230m巷道在末采前嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求補(bǔ)強(qiáng)加固好。在工作面末采期間巷道支護(hù)狀況良好，只有局部3m范圍內(nèi)靠煤柱側(cè)巷幫向外移動(dòng)200～300mm，工字鋼梯形棚的棚腿變形嚴(yán)重，并與棚梁脫離。利用單體支柱代替棚腿進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，有效地控制了巷道圍巖的變形破壞，保證了106B工作面的順利末采。

2-106A 工作面推進(jìn)期間，2-106A2巷超前支護(hù)采用在兩架梯形棚中間補(bǔ)打一梁三柱加強(qiáng)支護(hù)，梁采用π型鋼梁，單體支柱必須穿鞋，并保證初撐力，漏液或失效單體支柱應(yīng)及時(shí)更換，加強(qiáng)工作面頂板和兩幫的管理。受2-106B工作面采動(dòng)影響的230m巷道除了局部范圍出現(xiàn)頂板下沉和底鼓現(xiàn)象，其余范圍巷道圍巖狀態(tài)良好，完全能夠滿足安全回采正常使用需求。

末采煤柱采取加固措施后由初始設(shè)計(jì)的80m減小到20m，實(shí)際多回采60m煤柱，相應(yīng)回收煤炭6.38萬(wàn)t，多增加經(jīng)濟(jì)收入3000多萬(wàn)元，極大地提高了工作面煤炭回采率和經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 2-106A2巷支護(hù)施工平面圖

圖4 2-106A2巷支護(hù)施工剖面圖

6 結(jié)論

（1）工作面礦壓規(guī)律監(jiān)測(cè)結(jié)果表明2-106B回采工作面超前支承壓力影響范圍為18.4m，應(yīng)力峰值點(diǎn)在5.6～7.5m范圍內(nèi)，最大超前應(yīng)力集中系數(shù)為2.61。

（2）利用數(shù)值模擬對(duì)2-106B回采工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸進(jìn)行了計(jì)算，模擬結(jié)果表明，留設(shè)20m護(hù)巷煤柱時(shí)，煤柱處于穩(wěn)定臨界狀態(tài)。

（3）2-106A2巷道補(bǔ)強(qiáng)采用錨索+單體液壓支柱的支護(hù)方式，兩根錨索+工字鋼梁懸吊5架工字鋼梯形棚，能夠滿足安全生產(chǎn)需要。

（4）末采煤柱采取加固措施后由初始設(shè)計(jì)的80m減小到20m，實(shí)際多回采60m煤柱，相應(yīng)回收煤炭6.38萬(wàn)t，多增加經(jīng)濟(jì)收入3000多萬(wàn)元，極大地提高了工作面煤炭回采率和經(jīng)濟(jì)效益。