厚煤層孤島綜放面沿空掘巷煤柱優(yōu)化及加固技術(shù)研究

宋慧杰

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

我國的資源賦存特點是“富煤、貧油、少氣”，煤炭是我國主要能源，但煤炭具有不可再生的耗竭性、稀缺性等特點，屬不可再生能源，應(yīng)該加倍珍惜。然而，目前煤炭資源采出率平均為30%，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦僅為10%，開采損失較大[1]。據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，潞安礦區(qū)開采煤炭資源時區(qū)段間通常會留設(shè)20～40 m區(qū)段煤柱，造成嚴重的資源浪費，同時，鄰近采空區(qū)回采完畢后留設(shè)的煤柱內(nèi)會積聚較大側(cè)向應(yīng)力，相鄰工作面回采巷道在較高側(cè)向應(yīng)力的作用下圍巖穩(wěn)定性不易保證，甚至?xí)l(fā)生沖擊性動力災(zāi)害。為此，可采用沿空掘巷的方式解決采出率低下的問題，同時對礦山壓力及圍巖移動進行控制。

沿空掘巷是上區(qū)段煤資源回采完畢后，待采場煤巖體活動及應(yīng)力重新分布并達到穩(wěn)定狀態(tài)后，沿采空區(qū)邊緣掘進下區(qū)段回采巷。此方法可極大提高煤炭資源采出率，有效緩解采掘接續(xù)壓力。然而厚煤層沿巷道所受沿空壓力較大，巷道在掘進和回采期間面臨圍巖變形量大、難護困難等問題，特別是孤島面沿空掘巷，礦壓顯現(xiàn)程度更為劇烈[2-3]。高河煤礦采用綜放跳采工藝，必然會形成孤島工作面。需要從多方面綜合考慮，對高河孤島面沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸進行優(yōu)化研究，并提出合適的注漿加固技術(shù)方案，在保證礦井生產(chǎn)安全的同時盡量提高孤島綜放面煤炭資源的采出率。

1 工程概況

本文基于高河能源W1302工作面工程背景開展研究，工作面開采3號煤層，煤厚4.7～5.36 m，平均5.03 m。煤層埋深為499～531 m，平均埋深為515 m，全煤間夾有1層炭質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.10～0.35 m，平均0.20 m。3號煤上方為泥巖、砂質(zhì)泥巖，煤傾角為1～9°，平均5°。煤層下方為泥巖、細粒砂巖，綜合地質(zhì)柱狀圖見圖1[4]。

圖1 綜合地質(zhì)柱狀圖

W1302工作面在礦井西側(cè)，如圖2所示。工作面北側(cè)為W1303工作面采空區(qū)，南側(cè)為W1305工作面采空區(qū)，西側(cè)為2011～2012采空區(qū)。其中W1302工作面回風(fēng)巷道沿3號煤層底板掘進，巷寬5.4 m，高3.8 m，在對合理煤柱留設(shè)寬度進行優(yōu)化研究的同時盡量不改變原支護參數(shù)?；仫L(fēng)巷道采用錨桿索支護，其中，幫部錨桿間距850 mm，頂板錨桿間距830 mm，錨桿排距為900 mm，頂錨索采用五花眼布置加強錨索D22 mm×8 300 mm。為掌握煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，在回風(fēng)巷道進行鉆孔取芯，并進行了物理力學(xué)試驗，試驗結(jié)果見表1。

圖2 工作面位置圖

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 煤柱寬度合理優(yōu)化設(shè)計

W1303工作面目前已經(jīng)回采完畢，采場煤巖體活動后已達到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力重新分布后如圖3所示，自采空區(qū)邊緣向W1302工作面出現(xiàn)應(yīng)力上升，達到峰值后出現(xiàn)應(yīng)力衰減，并最終恢復(fù)至原巖應(yīng)力或接近原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 側(cè)向應(yīng)力分布圖

為保證巷道免受高側(cè)向應(yīng)力的影響，沿空所掘巷道應(yīng)盡量在應(yīng)力較低區(qū)域進行，為避免煤炭資源浪費，需控制保護煤柱尺寸，基于以上理論，沿空巷道可布置于圖3所示區(qū)域，同時掘巷還需要保證錨桿索的錨固穩(wěn)定性，故此煤柱合理留設(shè)尺寸B應(yīng)結(jié)合側(cè)采動應(yīng)力分布及極限平衡理論計算[5-8]：

B=X1+X2+X3

(1)

式中：B為煤柱寬度，m；X1為錨桿長度，取2.2 m；X2為煤柱穩(wěn)定系數(shù)，按(X1+X3)(10%～30%)計算；X3為采空側(cè)煤體塑性區(qū)寬度，m；X3值按公式(2)計算：

(2)

式中：m為煤厚，m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=v/(1-v)；φ0為內(nèi)摩擦角，°；C0為黏結(jié)力，MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2；γ為覆巖容重，取25 kN/m3；H為埋深，m；Pz為煤幫的支護阻力，取0.5 MPa。

由公式(2)計算得：X3=3.73 m，則X2=0.50～1.48 m，小煤柱寬度B為6.42～7.41 m。由理論計算得出沿空掘巷留小煤柱的寬度選為7 m左右。

3 留設(shè)煤柱寬度穩(wěn)定性數(shù)值分析

結(jié)合W1302工作面的生產(chǎn)概況，通過UDEC數(shù)值模擬軟件模擬孤島面優(yōu)化后煤柱及W1302工作面回風(fēng)巷道的穩(wěn)定性，模擬中首先回采相鄰W1303工作面，后沿W1303工作面采空區(qū)掘進W1302工作面回風(fēng)巷道，待回風(fēng)巷道穩(wěn)定后回采W1302工作面，W1302工作面回風(fēng)巷道在其回采前要保持一定斷面尺寸。數(shù)值模擬模型寬高分別為300 m、86 m，煤層厚度為5.03 m，模型中約束兩側(cè)及底部邊界。模擬煤柱寬度分別為6 m、7 m、8 m、10 m、20 m時，巷道圍巖及煤柱內(nèi)塑性破壞情況的具體模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，巷道沿煤層底板掘進，回風(fēng)巷道掘進后，當(dāng)煤柱寬度為6 m時，煤柱內(nèi)塑性區(qū)域發(fā)育嚴重，煤柱整體處于塑性狀態(tài)；隨著煤柱寬度增大至7 m，煤柱內(nèi)塑性發(fā)育情況有所減弱，但整體仍處于塑性狀態(tài)；煤柱寬度增大至8 m時，煤柱內(nèi)塑性發(fā)育區(qū)域明顯減弱，并出現(xiàn)彈性區(qū)域；隨著煤柱寬度增大至10 m、20 m，留設(shè)煤柱內(nèi)塑性發(fā)育情況大幅度減弱，煤柱中間出現(xiàn)大范圍彈性區(qū)域，但在較高側(cè)向應(yīng)力的作用下，回風(fēng)巷道底鼓破碎嚴重，出現(xiàn)嚴重的底鼓現(xiàn)象，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可將煤柱留設(shè)寬度設(shè)置為8 m。

4 煤柱加固及現(xiàn)場實測

通過理論分析以及數(shù)值模擬可綜合確定煤柱尺寸為8 m，煤柱尺寸優(yōu)化后大幅提高回采率，但優(yōu)化后的煤柱會出現(xiàn)塑性破壞，為提高煤柱強度，保證巷道質(zhì)量，對煤柱采取注漿加固措施。注漿方式為深淺孔注漿結(jié)合，如圖5所示。

圖5 深淺孔注漿示意

淺孔注漿區(qū)距離巷道表面較近，屬于破裂區(qū)域，裂隙發(fā)育嚴重，該部分煤巖體較為破碎酥松，承載能力低下。淺孔注漿可將松散破碎巖體膠結(jié)成一個整體，結(jié)構(gòu)上恢復(fù)煤巖體的完整性，力學(xué)性能上恢復(fù)煤巖體的承載能力，同時，煤巖體膠結(jié)后可防止錨固力不足，防止脫錨現(xiàn)象發(fā)生。而深孔注漿則是整體上提高煤柱的穩(wěn)定性及承載能力，防止工作面回采過程中煤柱失穩(wěn)，深淺孔注漿結(jié)合的方式可進一步保證回采巷道在服務(wù)周期內(nèi)安全穩(wěn)定使用。

在回風(fēng)巷道掘進后，為驗證本文所研究的小煤柱合理尺寸優(yōu)化設(shè)計、補強技術(shù)措施、現(xiàn)場支護效果，在回風(fēng)巷道布置測站，具體布置情況如圖6所示，采用“十字布點法”監(jiān)測巷道表面位移，選用錨桿測力計監(jiān)測錨桿受力情況。

圖6 礦壓監(jiān)測布置圖

W1302工作面回風(fēng)巷道在掘進期間頂錨桿、幫錨桿載荷隨時間的變化曲線如圖7所示。在巷道掘進過程中安裝錨桿后前期所受載荷隨巖層移動而遞增，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后頂錨桿所受載荷為102 kN左右,而幫錨桿所受最大載荷為84 kN，達到穩(wěn)定狀態(tài)后錨桿受力較為穩(wěn)定，表明圍巖控制效果較好。

圖7 錨桿載荷隨時間變化曲線

W1302工作面回風(fēng)巷道掘進后圍巖變形速率較快，如圖8所示，兩幫相對移近速度最大達到28 mm/d，頂?shù)装逑鄬σ平俣茸畲筮_到20 mm/d，巷道變形速率隨時間的增加而不斷減小，最后趨于穩(wěn)定。巷道變形量隨時間的增加而增加，30 d后趨于穩(wěn)定。掘進穩(wěn)定后回風(fēng)巷道頂?shù)装逑鄬ξ灰茷?60 mm左右，兩幫相對位移為170 mm左右，現(xiàn)場未見明顯底鼓現(xiàn)象，巷道變形量較小，巷道維護效果較好，表明掘巷期間圍巖變形得到了有效控制。

5 結(jié) 語

本文通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬等方法對孤島面沿空留掘煤柱尺寸進行優(yōu)化并提出注漿加固技術(shù)措施，得出以下結(jié)論：

1) 為提高煤炭資源的采出率，對沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸進行優(yōu)化，通過理論分析及數(shù)值模擬，綜合確定煤柱留設(shè)尺寸為8 m。

2) 為保證巷道在服務(wù)周期內(nèi)穩(wěn)定使用，提出了深淺孔注漿的方式加固孤島小煤柱，回風(fēng)巷道掘進穩(wěn)定后頂錨桿受力均值為102 kN，頂?shù)鬃畲笠平繛?60 mm，幫錨桿受力均值為84 kN，兩幫最大移近量為170 mm，表明掘巷期間圍巖變形得到了有效控制。