臺(tái)頭礦2S202-1工作面合理留設(shè)煤柱寬度探討

王鵬騰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100）

煤炭作為一種不可再生資源，其合理利用和高效開(kāi)采對(duì)于礦井可持續(xù)發(fā)展十分重要。隨著我國(guó)機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)的不斷提升，煤層采高逐步增大，巷道支護(hù)面臨的問(wèn)題也在逐步增多，其中巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈是礦井面臨的重要難題。區(qū)段煤柱是一種既能保護(hù)巷道同時(shí)能夠有效隔絕有害氣體及礦井水的支撐體，其存在可以有效保證巷道穩(wěn)定性及開(kāi)采的安全性。但區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)過(guò)大會(huì)造成資源浪費(fèi)，影響礦井回采率[1-2]；煤柱留設(shè)寬度較小時(shí)，此時(shí)巷道穩(wěn)定性無(wú)法得到有效保證，使得巷道掘進(jìn)過(guò)程中極易出現(xiàn)變形破壞。所以，合理的煤柱留設(shè)寬度對(duì)于巷道穩(wěn)定性維護(hù)及高效開(kāi)采有著重要意義[3-4]。此前眾多學(xué)者對(duì)煤柱寬度的留設(shè)進(jìn)行過(guò)研究，但考慮到不同礦井、不同地質(zhì)環(huán)境下區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度無(wú)法直接應(yīng)用，所以針對(duì)臺(tái)頭礦2S202-1工作面為工程背景，利用數(shù)值模擬以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法，對(duì)煤柱留設(shè)合理寬度進(jìn)行分析與探討，以期為礦井高效安全開(kāi)采提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工作面概況

2S202-1綜采工作面順槽長(zhǎng)度332 m,埋藏深度189 m，所開(kāi)采的2#煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層厚度2.8～3.38 m，平均為3 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0-2層夾矸。煤層頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，煤層底板多為泥巖，局部為粉砂巖，煤層傾角平均為5°。煤層頂板底板巖性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2#煤層煤質(zhì)為焦煤，為Ⅱ級(jí)自燃煤層，經(jīng)鑒定煤塵有爆炸性。此前，臺(tái)頭礦已有3個(gè)回采工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度超過(guò)20 m，造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)，因此對(duì)煤柱合理留設(shè)寬度進(jìn)行分析與探討，對(duì)提高臺(tái)頭礦回采率有著重要意義。

2 數(shù)值模擬分析

利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)合理煤柱寬度進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立長(zhǎng)寬高為200 m×50 m×200 m的模型并設(shè)置模型物理參數(shù)，模型頂端距離地表140 m，計(jì)算可得覆巖施加均布荷載為3.5 MPa，固定模型左右兩端及下部位移，分別對(duì)煤柱寬度12 m、16 m、20 m、25 m下的煤柱支撐應(yīng)力進(jìn)行分析，不同煤柱寬度下支撐壓力曲線如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度下支撐壓力曲線

如圖1所示，當(dāng)一側(cè)工作面回采時(shí)，此時(shí)水平坐標(biāo)軸的左側(cè)代表回采工作面的采空區(qū)。可以看出當(dāng)煤柱寬度為25 m時(shí)，此時(shí)區(qū)段煤柱在距離采空區(qū)2 m左右的位置出現(xiàn)支承壓力峰值，支撐應(yīng)力峰值分別為7.27 MPa，在此范圍內(nèi)的煤體進(jìn)入塑性狀態(tài)，在采空區(qū)范圍內(nèi)的塑性區(qū)寬度約為2 m。當(dāng)煤柱寬度為20 m時(shí)，此時(shí)區(qū)段煤柱在距離采空區(qū)3 m左右的位置出現(xiàn)支承壓力峰值，支撐應(yīng)力峰值與煤柱寬度25 m時(shí)無(wú)較大差異，但此時(shí)采空區(qū)側(cè)的塑性變形區(qū)寬度有所增大。當(dāng)區(qū)段煤柱寬度降低至16 m時(shí)，此時(shí)的支承壓力峰值點(diǎn)距離采空區(qū)側(cè)3.5 m處，峰值約為7.28 MPa，在此范圍內(nèi)煤體處于塑性狀態(tài)。當(dāng)煤柱寬度為12 m時(shí)，此時(shí)應(yīng)力峰值點(diǎn)距離采空區(qū)4 m左右，塑性區(qū)寬度最大?？梢钥闯?，隨著煤柱寬度的增大，支撐峰值點(diǎn)距離采空區(qū)側(cè)的距離逐步增大，煤柱的塑性區(qū)寬度同樣增大。當(dāng)煤柱寬度在16～25 m的范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)煤柱的彈性區(qū)寬度大于12 m，均大于2倍的采高，此時(shí)能夠滿足區(qū)段煤柱安全開(kāi)采的要求。而當(dāng)煤柱寬度為12 m時(shí)，此時(shí)彈性區(qū)寬度僅為8 m，低于2倍的采高，所以煤柱寬度并不合適。

對(duì)四種煤柱寬度下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，因篇幅所限僅展示煤柱寬度為16 m時(shí)巷道圍巖變形云圖如圖2所示。

圖2 煤柱寬度為16m時(shí)圍巖變形云圖

從不同煤柱下巷道圍巖變形云圖可知，當(dāng)煤柱寬度大于等于16 m時(shí)，此時(shí)在采空區(qū)側(cè)覆巖的垂直位移量均小于200 mm，而在右側(cè)順槽位置的覆巖垂直應(yīng)力分布在60～100 mm范圍內(nèi)。而在煤柱寬度為12 m時(shí)，此時(shí)采空區(qū)側(cè)覆巖的垂直位移量為350 mm，而在右側(cè)順槽位置的覆巖垂直應(yīng)力分布在100～150 mm范圍內(nèi)。可以看出，隨著煤柱寬度的增大，位于采空區(qū)的覆巖頂板變形量不斷變大，而在順槽位置的覆巖變形同樣逐步增大，在煤柱寬度大于16 m時(shí)的圍巖變形量較小，圍巖控制效果較佳，所以綜合分析后選定最佳煤柱寬度為16 m。

3 工程實(shí)踐

3.1 鉆孔窺視

在確定最佳煤柱寬度為16 m后，選擇在2S202-1綜采工作面進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)回風(fēng)順槽及膠輔順槽16 m煤柱下的巷道變形及煤柱破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在工作面支承壓力及采動(dòng)影響的共同作用下，此時(shí)在煤柱的內(nèi)部容易出現(xiàn)裂縫，所以需要對(duì)煤柱內(nèi)部裂隙出現(xiàn)及裂隙發(fā)育進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著工作面的推進(jìn)采用鉆孔窺視儀對(duì)工作面順槽裂隙發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，裂隙發(fā)育如圖3所示。

圖3 鉆孔裂隙發(fā)育

從圖3可以看出，在煤柱內(nèi)部6 m時(shí)，鉆孔內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)存在裂縫，此時(shí)鉆孔內(nèi)孔壁及孔身完整性較好，支承壓力及采動(dòng)影響并未對(duì)此位置的煤柱完整性產(chǎn)生較大的影響；而在5 m時(shí)，此時(shí)鉆孔內(nèi)部的裂隙出現(xiàn)，鉆孔完整性下降，隨著距離的減小，此時(shí)煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育明顯，裂隙出現(xiàn)貫通交叉，裂縫多以環(huán)向裂縫產(chǎn)生，在此范圍內(nèi)煤柱承載性下降。在回風(fēng)側(cè)段的煤柱塑性區(qū)域?qū)挾葹? m，此時(shí)煤柱寬度為16 m，彈性區(qū)域的寬度大于2倍的采高，此時(shí)區(qū)段煤柱的保護(hù)效果仍能得到一定的保障，所以區(qū)段煤柱寬度16 m方案可行。

3.2 變形監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)回采過(guò)程中，工作面兩側(cè)區(qū)段煤柱巷道圍巖變形情況，利用十字布點(diǎn)法對(duì)受到采動(dòng)影響下的巷道頂板、底板、兩幫的變形進(jìn)行記錄，掌握巷道變形的特征，從而為后期的支護(hù)提供一定的參考。根據(jù)回采及巷道布置情況，在回風(fēng)順槽位置布置觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)距離回采面為10 m，觀測(cè)點(diǎn)鉆孔直徑為29 mm，鉆孔深度為380 mm，同時(shí)在鉆孔內(nèi)部打入直徑28 mm，長(zhǎng)度400 mm的木樁，因?yàn)橛^察周期較長(zhǎng)，所以將觀測(cè)基點(diǎn)布置牢固。繪制回風(fēng)順槽巷道變形曲線如圖4所示。

圖4 回風(fēng)順槽巷道變形曲線

從圖4中可以看出，巷道兩幫及頂板、底板移近量隨著觀測(cè)點(diǎn)距離的減小呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(shì)，在距離觀測(cè)點(diǎn)10 m的位置時(shí)，此時(shí)巷道兩幫及頂?shù)装宓囊平窟_(dá)到最大值，最大值分別為46 mm和56 mm。同時(shí)觀察回風(fēng)順槽巷道圍巖變形曲線可以看出，變形曲線大致可以分為三個(gè)區(qū)段，分別為：在距離回采工作面50～40 m時(shí)，此時(shí)的巷道變形量差距很小，頂?shù)装寮皟蓭蛶缀醪皇苡绊?；在距離回采工作面40～20 m時(shí)，在此范圍內(nèi)巷道的圍巖變形逐步增大，但增大的趨勢(shì)較小；在距離回采工作面20 m以內(nèi)時(shí)，此時(shí)的巷道兩幫及頂?shù)装逡平靠焖僭龃?，在此范圍巷道的圍巖變形來(lái)到最大值。綜合巷道圍巖變形量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在煤柱寬度留設(shè)為16 m時(shí)，巷道圍巖的變形整體處于可控范圍，并未出現(xiàn)大變形或者失穩(wěn)情況，所以煤柱留設(shè)寬度選擇16 m方案可行。

4 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同煤柱寬度下巷道圍巖變形及煤柱內(nèi)部支承應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，當(dāng)煤柱寬度為16 m時(shí)，能夠保證巷道穩(wěn)定性，同時(shí)又減少了資源浪費(fèi)，最終確定最佳區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為16 m。

2）利用鉆孔窺視儀對(duì)回風(fēng)側(cè)段的煤柱內(nèi)部裂隙情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育情況屬于可控狀態(tài)，煤柱寬度設(shè)定為16 m可行。

3）通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，煤柱寬度留設(shè)為16 m時(shí)，巷道圍巖的變形整體處于整體可控范圍，并未出現(xiàn)大變形或者失穩(wěn)情況，證明煤柱留設(shè)方案可行。