特厚煤層綜放工作面停采煤柱合理寬度設(shè)計應(yīng)用研究

龐 波

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦現(xiàn)階段主采9#、10#煤層，9#、10#煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組。10-201工作面位于二盤區(qū)準備巷道南翼，工作面上部及周邊均為實體煤巖層，以北緊鄰二盤區(qū)三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為實體煤，以東為實體煤，緊鄰風氧化帶，靠近礦井井田邊界。10-201 工作面地面位置位于盛地溝村以南黃土丘陵一帶，地表以侵蝕性黃土梁峁為主，山上分布有梯田及坡地，地面標高+1012～+1190 m，埋深312～515 m。開采的9+10#煤，煤層厚度5.81～7.73 m，工作面傾斜長度245 m，煤層傾角3°～14°，煤層硬度2～3，頂?shù)装鍘r性特征詳見表1。一盤區(qū)停采煤柱尺寸180～190 m，工作面回采期間，大巷圍巖受到應(yīng)力擾動非常明顯，對應(yīng)位置工作面開采后，部分巷段兩幫相對移近量達1.0 m，嚴重干擾了礦井的正常生產(chǎn)。為避免二盤區(qū)生產(chǎn)期間出現(xiàn)類似情況，以10-201 工作面（首采面）為背景展開相關(guān)研究。

表 1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 停采煤柱尺寸模擬研究

為掌握輔運大巷圍巖穩(wěn)定性受工作面回采動壓影響的情況，依據(jù)10-201 工作面開采的實際情形，采用FLAC3D軟件進行建模分析[1]。建立模型尺寸：長度500 m（X 軸），寬度350 m（Y 軸），高度142 m（Z 軸）。煤層厚度6.5 m，底板厚度14.5 m，上覆巖層厚度121 m，模型上部巖層厚度300 m，等效垂直應(yīng)力7.50 MPa。模型底面為固定邊界，側(cè)面設(shè)置位移約束。20-201 工作面布置在模型Y 軸方向中部，長度240 m，兩側(cè)為運輸順槽和回風順槽，兩側(cè)距模型邊界約50 m，開拓大巷沿Y 軸方向布置，均布置在煤層中，沿底板掘進，間距20 m。采掘巷道及工作面布置詳情如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

2.1 正常情況下停采煤柱模擬分析

模擬時首先進行三條開拓大巷的開挖和支護，然后進行10-201 工作面回采巷道及切眼的開挖支護。工作面每次推進5.0 m，采高6.5 m。監(jiān)測輔運大巷圍巖內(nèi)應(yīng)力及表面位移與回采工作面距離間的關(guān)系，整理得到結(jié)果如圖2。由圖2（a）可知，輔運大巷距回采工作面大于225 m 時，巷道頂板、兩幫圍巖內(nèi)應(yīng)力均為13.2 MPa 上下，且基本穩(wěn)定不變；當輔運大巷與工作面間距離由225 m 繼續(xù)減小，頂板及兩幫圍巖內(nèi)應(yīng)力開始明顯增大，頂板巖層內(nèi)應(yīng)力增大最為顯著，靠近工作面一側(cè)煤幫應(yīng)力大于另一側(cè)煤幫。由此說明，輔運大巷距離工作面225 m時開始受到回采動壓的影響。圖2（b）為工作面距輔運大巷225 m 時，輔運大巷圍巖塑性破壞情況，可以看出，靠近工作面一側(cè)煤幫及底板巖層塑性破壞范圍和深度明顯大于遠離工作面一側(cè)。說明此時采動影響已加劇輔運大巷圍巖的變形破壞，在不采取措施的情況下，若想讓輔運大巷不受回采工作面動壓影響，建議停采煤柱寬度不小于225 m。

圖2 輔運大巷圍巖應(yīng)力與停采煤柱寬度關(guān)系及塑性分布

2.2 頂板預(yù)裂卸壓后停采煤柱模擬分析

10-201 工作面煤層為焦煤，煤炭價值較高，因此應(yīng)盡可能地提高回采率。查閱相關(guān)研究成果得知[2-3]，通過切頂卸壓措施可減小回采工作面超前支承壓力對大巷圍巖穩(wěn)定性的影響。為確定切頂條件下最佳煤柱寬度，同樣采用上述模型進行模擬分析，切頂垂直高度為10 倍采高65 m，切頂處距輔運大巷80 m，平行輔運大巷設(shè)置一組切頂卸壓槽，之后進行模擬分析計算。監(jiān)測輔運大巷頂板巖層內(nèi)垂直應(yīng)力和表面位移量變化規(guī)律，整理得到結(jié)果如圖3。

由圖3（a）可以看出，隨著停采煤柱寬度的減小，輔運大巷頂板巖層垂直應(yīng)力不斷增大。停采煤柱寬度由250 m 減小為150 m，頂板內(nèi)垂直應(yīng)力由11.7 MPa 增大至12.8 MPa，垂直應(yīng)力平穩(wěn)增大，增幅為1.1 MPa；停采煤柱寬度由150 m 繼續(xù)減小至100 m，頂板內(nèi)垂直應(yīng)力由12.8 MPa 增大至16.8 MPa，增幅為4.0 MPa。由此表明，采取切頂措施后，煤柱寬度在150～250 m 之間時，輔運大巷應(yīng)力受工作面采動影響不大，當煤柱寬度小于150 m 后，輔運大巷頂板應(yīng)力開始劇烈變化。由圖3（b）可以看出，輔運大巷距回采工作面大于150 m 時，不同停采煤柱寬度條件下，巷道表面無明顯差異，且頂板、兩幫移近量均小于10 cm；煤柱寬度小于150 m 時，輔運大巷頂板下沉量開始迅速增大。綜上可知，當停采煤柱寬度為125 m 時，回采工作面超前支承壓力導(dǎo)致輔運大巷圍巖內(nèi)應(yīng)力劇增，大巷表面變形量開始顯著增大。由此表明，切頂條件下，停采煤柱合理尺寸為150 m。

圖3 輔運大巷圍巖應(yīng)力、位移與煤柱寬度關(guān)系

3 工作面超前斷頂卸壓措施

一盤區(qū)通過在工作面前方對頂板進行預(yù)裂卸壓，解決頂板懸而不垮的問題，減小回采動壓對大巷圍巖穩(wěn)定性的影響[4]。10-201 工作面回采初期，在兩側(cè)回風順槽、運輸順槽內(nèi)向頂板巖層施工鉆孔，采用放炮預(yù)裂的方式斷頂卸壓，鉆孔分別距輔運大巷80 m、120 m、150 m、175 m、200 m，每側(cè)每排施工3 個，直徑113 m，與水平方向夾角分別為15°、30°、45°，切頂高度為62.6 m，垂直煤壁施工，共30 個鉆孔。而后為保證切斷頂板的效果，又增加一些深孔爆破鉆孔，施工位置為距輔運大巷100 m、135 m、190 m、210 m，終孔處存在交叉，切頂高度77.8 m，共補打24 個預(yù)裂鉆孔，使用炸藥類型為PT473，每個預(yù)裂孔放置40～50 根藥卷，封孔深度27～30 m，采用水泥漿封孔，采用毫秒延遲正向爆破。預(yù)裂深孔布置詳情如圖4。

圖4 10-201 工作面切頂鉆孔布置示意圖（m）

4 輔運大巷圍巖穩(wěn)定性分析

10-201 工作面回采期間，在輔運大巷對應(yīng)工作面中部位置設(shè)置位移監(jiān)測點，得到大巷表面變形量隨著與工作面距離的變化規(guī)律如圖5。工作面回采期間，輔運大巷表面變形可分為兩個階段，距工作面300～180 m 期間，兩幫移近量增大約74 mm，頂?shù)装逡平吭龃蠹s80 mm，輔運大巷已受到工作面回采影響，影響微弱，整體變形量不大；距工作面180～150 m，大巷表面變形量開始顯著增大，兩幫變形379.8 mm，頂?shù)装逑鄬σ平?49.5 mm，此時大巷受工作面采動影響劇烈程度明顯提高，但整體變形量仍在合理范圍內(nèi)，與一盤區(qū)類似條件下大巷部分段出現(xiàn)大面積變形破壞相比，巷道圍巖穩(wěn)定性顯著提高，且能滿足礦井正常安全生產(chǎn)的需求，表面預(yù)裂切頂卸壓效果良好，停采煤柱尺寸合理。

5 結(jié)論

根據(jù)木瓜煤礦10-201 工作面地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件，數(shù)值模擬研究分析停采煤柱寬度需大于225 m，而采取預(yù)裂切頂措施的停采煤柱寬度150 m即可滿足要求。在10-201 工作面應(yīng)用進行超前深孔爆破切頂技術(shù)，礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，工作面采動影響未導(dǎo)致輔運大巷圍巖大面積的過度變形破壞，切頂卸壓效果良好，起到了維護輔運大巷圍巖的作用。