復(fù)雜條件沿空掘巷煤柱留設(shè)方式研究

孫殿宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)潞安煤炭事業(yè)部，山西 長治 047500）

0 引 言

隨著煤礦機(jī)械化智能化程度的不斷提高和井下設(shè)備的持續(xù)升級，我國大部分煤礦開采強(qiáng)度不斷提升，受煤層賦存不穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育影響的礦井與日俱增。同發(fā)東周窯礦地質(zhì)條件復(fù)雜，且采煤工作面之間普遍留設(shè)寬煤柱，在強(qiáng)動壓及高靜壓應(yīng)力環(huán)境下，出現(xiàn)回采巷道片幫、底鼓嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)效率低、返修成本大，嚴(yán)重制約了工作面的安全高效回采，并且留設(shè)寬煤柱造成煤炭資源利用不充分[1-2]。因此，高強(qiáng)度開采條件下的強(qiáng)礦壓治理與小煤柱沿空掘巷成為目前礦井亟待解決的技術(shù)難題。

1 工程概況

1.1 礦井概況

同發(fā)東周窯井田位于山西省左云縣，井田面積101 km2，礦井生產(chǎn)能力1 000 萬t/a，礦井服務(wù)年限為65 a?？刹擅簩佑猩?、5、8-1、8-2 號，煤質(zhì)以長焰煤為主。井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水文類型為中等。目前主要開采煤層為山4 號層、C5 號層。

礦井原工作面之間均留設(shè)30 m 寬煤柱，新布置8103 工作面計(jì)劃留設(shè)小煤柱，進(jìn)行沿空掘巷，通過優(yōu)化煤柱寬度，降低回采巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，減小巷道變形。

1.2 工作面復(fù)雜地質(zhì)條件特征

8103 工作面位于山西組4 號一盤區(qū)，北部為山4 號層一盤區(qū)3 條采區(qū)巷道，西部為山4 號層一盤區(qū)8102 工作面采空區(qū)，南部及東部均為實(shí)煤區(qū)。

工作面采掘過程中將受17 條斷層影響，對工作面生產(chǎn)以及巷道的維護(hù)狀況影響較大；且該區(qū)域煌斑巖侵入煤層，煌斑巖厚度不穩(wěn)定；工作面煤層厚度為4.12～10.3 m，厚度變化較大，且含有多層夾矸，夾矸賦存不穩(wěn)定；相鄰工作面留設(shè)多個硐室，對煤柱寬度留設(shè)造成影響。因此，工作總體條件復(fù)雜。

2 沿空掘巷煤柱寬度研究

2.1 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布理論分析

結(jié)合東周窯礦8103 工作面現(xiàn)場情況，以彈塑性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)得出工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布規(guī)律，為工作面小煤柱沿空掘巷的合理煤柱寬度留設(shè)提供理論基礎(chǔ)[3]。

對于近水平煤層，支承壓力峰值到邊界距離為

式中：M為煤層開采厚度，m；β為側(cè)壓系數(shù)；φ0為內(nèi)摩擦角，可取值28°；C0為煤層界面中的黏聚力，可取值2 MPa；Px為采空區(qū)對煤柱的支護(hù)阻力，可取值0。

式中：β為側(cè)壓系數(shù)；σ為最大σH水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂直應(yīng)力，MPa，取11.9 MPa。

參考東周窯礦相關(guān)地質(zhì)資料，綜合考慮各項(xiàng)影響因素，令β1=1.5，β2=0.9，σy=11.9 MPa（原巖垂直應(yīng)力），可計(jì)算不同側(cè)壓系數(shù)下煤厚分別為4 、5 、6、7、8 m 時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍，如圖1 所示。

圖1 不同采厚側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)范圍

由圖1 可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)β=1.5，工作面開采厚度為4 、5 、6 、7 、8 m 時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為5.35、6.69、8.03、9.36、10.70 m；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)β=0.9，開采厚度為4、5、6、7、8 m 時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為3.21、4.01、4.82、5.62、6.42 m。隨著工作面煤層開采厚度的增大，工作面?zhèn)认驂毫Ψ逯迪驅(qū)嶓w煤內(nèi)部移動。8103 工作面煤層開采厚度平均為6.63 m，應(yīng)力降低區(qū)范圍為5.32～8.87 m。

2.2 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布數(shù)值模擬

根據(jù)J27 鉆孔的柱狀圖，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，按照東周窯礦的物理力學(xué)參數(shù)建立如圖2 的數(shù)值模擬模型。根據(jù)鉆孔柱狀圖的信息，本次模型的巖層共分為12 層。模型范圍設(shè)置為500 m×200 m（X×Z），左右兩側(cè)對x 方向位移進(jìn)行約束，前后對y 方向位移進(jìn)行約束，下部對z 方向位移進(jìn)行約束，上部施加載荷模擬上覆巖層容重。沿8102 工作面煤層頂板右側(cè)設(shè)1 條監(jiān)測線，用以測定側(cè)向支承壓力。

圖2 8102 工作面數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)東周窯礦物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果，模擬中的物理力學(xué)參數(shù)見表1：

表1 物理力學(xué)參數(shù)匯總表

首先對8102 工作面進(jìn)行回采，待工作面穩(wěn)定后記錄采空區(qū)右側(cè)的側(cè)向支承壓力數(shù)值。工作面回采穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖3 垂直應(yīng)力分布云圖

由圖3 可知，數(shù)值模型計(jì)算平衡后，在采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最靠近采空區(qū)邊緣處出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。因此，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)將會有效改善巷道的應(yīng)力環(huán)境。8102 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖

由圖4 可以得出，山西組4 號煤層原巖應(yīng)力為11.9 MPa，8102 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后所產(chǎn)生的應(yīng)力降低區(qū)范圍為8 m，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣14 m 處，應(yīng)力峰值大小為21.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.76。

2.3 合理煤柱留設(shè)寬度的確定

基于以上分析，小煤柱留設(shè)寬度應(yīng)在5.32～8 m之間。需在該煤柱留設(shè)區(qū)間內(nèi)找出最佳煤柱留設(shè)寬度。以下基于上述模型進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算，研究留設(shè)6、7 、8m 不同寬度煤柱條件下巷道變形情況，從而得到最佳方案。模擬方案示意圖如圖5 所示。

圖5 不同煤柱留設(shè)寬度模擬方案示意圖

留設(shè)6 、7 、8 m 煤柱時(shí)的巷道變形及圍巖應(yīng)力分布見表2 和表3。由表可知，留設(shè)6 m 煤柱時(shí)巷道變形量及圍巖應(yīng)力峰值明顯降低。普遍較留設(shè)7 m及8 m 煤柱時(shí)減小了一個數(shù)量級。

表2 巷道變形量對比表

表3 巷道圍巖應(yīng)力對比表

基于上述分析，針對同發(fā)東周窯礦5103 巷的地質(zhì)條件下，考慮到支護(hù)條件、煤柱的隔絕性能以及巷道的應(yīng)力環(huán)境和變形量，5103 巷區(qū)段煤柱的合理留設(shè)寬度應(yīng)為6 m。

3 支護(hù)效果觀測及分析

3.1 小煤柱側(cè)內(nèi)部裂隙發(fā)育狀況分析

根據(jù)之前所述，小煤柱巷道整體處于采空區(qū)邊緣的塑性煤體中，從而使應(yīng)力狀態(tài)得到有效降低[4-5]。因此，為明確煤柱中的裂隙發(fā)育情況，通過鉆孔窺視的方法對新掘5103 小煤柱巷道進(jìn)行窺視，以觀察本次5103 巷小煤柱的完整程度。分別在正巷的50、100 、200 、250 、300 、350 m 處進(jìn)行觀測。窺視結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鉆孔窺視煤體裂隙圖

窺視結(jié)果可得，在1.5 m 范圍內(nèi)小煤柱巷道受到掘進(jìn)影響裂隙發(fā)育程度較高，破碎程度較大；在1.5～2.5 m 范圍內(nèi)煤體仍存在一定裂隙但有明顯改善；在2.5～4.5 m 范圍內(nèi)煤體較為完整，但局部也存在一定的破碎情況；在4.5～5 m 范圍內(nèi)再次出現(xiàn)煤體破碎情況?？紤]到避免與采空區(qū)打通，因此推測直至6 m 煤體均為比較破碎狀態(tài)。隨后對窺視孔進(jìn)行了注漿封孔，避免出現(xiàn)氣體導(dǎo)通現(xiàn)象。

3.2 回采期間巷道支護(hù)效果觀測分析

在5103 風(fēng)巷內(nèi)布置共2 個測站（測站A、B），觀測目的為對比斷層影響區(qū)及正常沿空掘巷階段的巷道變形情況。經(jīng)觀測，5103 小煤柱巷道在掘進(jìn)期間的初步穩(wěn)定期約為13 d，且由于處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，巷道的整體變形量不大，錨桿索支護(hù)可以有效發(fā)揮作用，巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此主要分析回采期間巷道變形。

回采期間的巷道變形觀測在保留掘進(jìn)期間的測站基礎(chǔ)上，設(shè)置一位于工作面切眼前方300 m 的C測站，以觀測工作面回采初期的巷道變形情況。C 測站同樣有3 個測點(diǎn)，分別表示為C1、C2、C3，距切眼距離分別為56、60、65 m。共觀測20 d。C1、C2、C3測點(diǎn)巷道兩幫、巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

由于C 測站位于工作面初采階段，因此可以通過該測站初步判斷8103 工作面的初次來壓情況。曲線中顯示，巷道兩幫的最終變形量為354、189 、163 mm，平均約為235 mm；巷道頂?shù)装宓淖罱K變形量為102 、99 、85 mm，平均約為95 mm。從變形情況來看，C 測站顯示的工作面超前支承壓力影響范圍約為60 m。支承壓力較小、巷道圍巖變形得到有效控制，表明煤柱留設(shè)寬度合理，保證了工作面正常掘進(jìn)和回采。

圖7 C 測站巷道移近量變化曲線

4 結(jié) 論

1）基于彈塑性理論建立了復(fù)雜條件下沿空巷道力學(xué)分析模型。計(jì)算得出8103 工作面應(yīng)力降低區(qū)理論范圍為5.32～8.87 m，采用Flac3D對不同側(cè)壓系數(shù)條件下留設(shè)4～8 m 寬度煤柱時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣14 m 的位置，應(yīng)力峰值大小為21.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.76。綜合考慮煤柱隔絕性、承載性以及巷道的應(yīng)力環(huán)境初步確定留設(shè)6 m 煤柱。

2）在5103 巷進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，通過巷道礦壓觀測表明，回采期間巷道兩幫最大移近量355 mm，頂?shù)装遄畲笠平?35 mm，巷道圍巖變形得到有效控制，保證了工作面正常掘進(jìn)和回采。