窄煤柱的留設和礦壓機理分析

范新民

(山西焦煤西山煤電集團公司鎮城底礦,山西省太原市,030203)

★煤炭科技·開拓與開采 ★——兗州煤業股份有限公司協辦

窄煤柱的留設和礦壓機理分析

范新民

(山西焦煤西山煤電集團公司鎮城底礦,山西省太原市,030203)

運用理論分析及現場調查的方法研究分析了鎮城底煤礦不規則煤體回收工作面圍巖結構特征、工作面礦壓顯現特征,對擬回收不規則煤體回采工作面頂板壓力進行了預測,并據此確定了窄煤柱參數。

不規則煤體開采 窄煤柱留設 礦壓機理

AbstractStructural characteristics of rock formations of working face of irregular coal bodies of Zhenchengdi Coal M ine has been studied by theoretical analysis and field investigation. The emerging characteristics of m ining p ressure of wo rking faces has been analyzed and the roof p ressure of working face for recovering irregular coal bodies of Zhenchengdi Coal M ine has been p redicted.Thus the design parameters of narrow coal pillars has been established.

Key wordsmining of irregular coal bodies,design of narrow coal pillars,rock psessmechanism

1 礦井概況與項目背景

鎮城底礦地處西山煤田西北邊緣,設計生產能力為150萬t/a,于1986年11月20日投產。全井田地質構造復雜,斷裂構造發育。投產至今陸續揭露斷層620條,其中落差3 m以上斷層169條,斷層密度為3.9條/km2。這些斷層縱橫切割,嚴重影響采掘部署和采面效率,由于工作面只能在斷層之間布置,因此大多是孤島工作面,其周邊留下大量的煤柱和邊角三角煤。由于煤質為優質的肥煤、焦煤,所以最大限度地提高資源回收率,具有巨大的經濟效益。提高資源回收率的辦法:

(1)可不留煤柱即無煤柱回采;

(2)布置短小工作面,盡量將斷層之間的資源回收;

(3)盡可能使煤柱幾何尺寸小。

本文針對減小煤柱幾何尺寸,即留設窄煤柱開采這一方法進行了實踐,并作了理論分析。

2 工程實例

2.1 22115工作面窄煤柱留設

南一采區22115工作面所采煤層為2#、3#煤層,北為12210已采工作面,南鄰22102-1已采工作面,北東為22117已采工作面,北西為22113工作面采空區。煤層厚度約3.19 m,煤層穩定,煤層整體呈向斜構造,軸向為北85°東。22115工作面地質構造復雜,與22117工作面間凈煤柱只有5 m。

2.2 18117工作面窄煤柱留設

18117工作面所采煤體,位于西一采區,北鄰18113回采工作面 (已采空),南為西下組軌道巷、回風巷、帶式輸送機巷,西鄰18115回采工作面和18111回采工作面 (已采空),東為18109回采工作面 (已采空),煤體總寬度僅約50 m,若不采用窄煤柱巷道布置,將無法采用壁式開采。因此,經過研究決定,18117工作面與18109工作面間僅留2 m煤柱。18117工作面長40 m,走向長750 m,采出煤炭近20萬t。

3 礦壓與變形機理分析

3.1 小煤柱變形分析

雖然小煤柱的支撐作用不足以改變老頂巖塊的回轉運動,但老頂巖塊的回轉卻嚴重地影響著小煤柱的變形與破壞特征。下沉量。

圖1 小煤柱變形分析

煤柱處于塑性狀態時,其橫向膨脹變形總量可按下式近似計算:

設煤柱中線兩側老頂巖塊的長度分別為L1、L2,總長為L,如圖1所示,則巖塊回轉穩定后煤柱及直接頂巖層的壓縮總量為:

若頂板、煤柱都處于彈性狀態 (L1很小時可能出現的狀態),則各自的壓縮量分別為:

式中:△(Σh)——直接頂巖層的壓縮總量,m;

m——煤層厚度,m;

△m——煤柱的壓縮變形總量,m;

△h——煤柱及直接頂巖層的壓縮變形量, m;

KZ——煤柱碎脹系數;

KDK——頂板碎脹系數。

若頂板處于彈性狀態,而煤柱處于塑性狀態,則△h幾乎全部為煤柱的塑性壓縮量 (彈性變形被忽略);反之,若頂板處于塑性狀態,而煤柱處于彈性狀態,則△h幾乎全部為頂板巖塊的塑性壓縮量。可見,若能通過支護措施提高煤柱的屈服強度,使其大于直接頂巖塊的屈服強度,從而使老頂回轉運動造成的支撐結構的壓縮量盡可能多地被頂板所吸收,則可減小煤柱的壓縮量,從而減小頂板

式中:Lc——煤柱寬度,m;

△Lc——煤柱寬度橫向膨脹變形量,m;

Kc——煤柱碎脹系數;

△m——煤柱的壓縮變形總量,m。

3.2 煤柱支承力與頂板下沉量的關系

根據以上分析,老頂巖塊形成砌體梁平衡結構之前給煤柱造成的壓力由煤柱的壓縮量、剛度和強度所決定。老頂巖塊觸矸后,給煤柱造成的壓力將由砌體梁結構承載作用的發揮程度決定,砌體梁結構的承載作用又受煤柱和頂板統一結構體剛度的影響。通常,煤柱及頂板統一結構體的剛度大時煤柱中的壓力大;剛度小時壓力小;完全剛性時壓力最大,近似為老頂巖塊重量及其載荷的一半 (砌體梁的作用完全未發揮);剛度是0時,壓力為0(砌體梁的作用完全發揮)。煤柱支承力與老頂回轉造成的頂板下沉量的關系由煤柱、頂板的剛度及強度的絕對大小和相對大小所決定,如圖2所示。

圖2 煤柱支承壓力與老頂回轉造成的頂板下沉量的關系

圖2中,橫軸為老頂巖塊處于平衡狀態所需的煤柱支承力,縱軸為老頂回轉造成的頂板下沉量。曲線1為煤柱的屈服強度小于頂板的屈服強度時的曲線,此時,老頂巖塊的回轉運動所需空間主要由煤柱的壓縮變形來提供。由于直接頂強度較高,傳力能力較強,故煤柱支承壓力的可變化范圍較大,但其變化對頂板下沉量的影響不大;曲線2為煤柱的強度大于頂板的強度時的曲線,此時,老頂巖塊的回轉變形空間主要由直接頂的變形提供。由于直接頂強度較低,傳力能力不大,故煤柱支承壓力的變化范圍較小,且支承壓力的變化對頂板下沉的影響很小。

3.3 限定變形狀態分析

當老頂巖塊位于煤壁內的長度較大時,其回轉為限定變形方式。即由于煤柱-頂板支點距離轉動軸較遠,故其支承力大小將會對老頂巖塊的回轉位移產生影響。以下僅就煤柱受力情況以及煤柱的屈服強度小于頂板的屈服強度時變形情況進行討論。

圍巖結構處于平衡狀態時煤柱變形與受力的關系曲線,如圖3所示,其中A點所對應的位移值為老頂觸矸前煤柱所發生的壓縮變形量,其大小為:

式中:△U0——圍巖結構處于平衡狀態時煤柱變形量,mm;

L1——煤柱中線內老頂巖塊的長度,m;

L——老頂巖塊的總長,m;

m——煤層采高,m;

K0——老頂碎脹系數。

圖3中A點所對應的煤柱支承力為老頂巖塊觸矸前的值,依據關鍵層理論及砌體梁理論分析,其大小應為

式中:Q——老頂巖塊自重及其載荷,N;

QD——破斷直接頂重量,N。

圖3 圍巖結構處于平衡狀態時煤柱變形與受力的關系

可見,老頂巖塊觸矸前形成平衡狀態所需的煤柱支承力為常量,但此階段的頂板下沉量卻為變量,這說明老頂巖塊在觸矸之前的任意位態,只要受到煤柱P0大小的支承力的作用,其回轉運動就會停止。

老頂巖塊觸矸后,冒落矸石近似呈現粘塑性特性,按圖2中曲線2所示的應力應變規律,發揮其支撐作用,從而使煤柱上的壓力隨變形的增加逐漸減小。圖3中B點所對應的煤柱支承壓力為直接頂巖塊與老頂巖塊離層時的值,其大小為

式中:Pt——直接頂巖塊與老頂巖塊離層時的煤柱支承力。

之后,煤柱所受壓力將保持穩定,但變形量可能繼續增加。

3.4 老頂斷裂位置處于煤壁之外

老頂斷裂位置處于煤壁之外時,其回轉運動狀態與斷裂位置處于煤壁之內時相比無明顯區別,但老頂巖塊的回轉不會對煤柱變形造成直接影響,即老頂巖塊的回轉運動狀態幾乎與煤柱的變形無關。此時煤柱的變形、破壞特征主要取決于采、掘造成的應力重新分布過程以及煤柱與直接頂力學參數以及其間的相對大小關系。

據前分析,根據采掘關系的不同,煤體-小煤柱回采巷道可分為沿空留巷和沿空掘巷兩種情況。通常,兩種情況下圍巖結構的最終形態無明顯區別,因此,相應位置的頂板及煤體的變形總量也基本一致。但是,若是老頂破斷位置在煤壁之外條件下的采后掘巷,且未破斷老頂的懸露長度較大,則由于掘巷后支撐條件的減弱,老頂巖層可能再次于煤體內發生斷裂,具體斷裂位置因懸露長度及支撐條件的不同可能位于巷道上方、實體煤幫上方等。若如此,則新產生的老頂巖塊的回轉將對巷道穩定狀態產生致關重要的影響,其情形將屬于上述限定變形狀態。沿空留巷與沿空掘巷的另一重大區別是巷道形成后圍巖及其支護所經歷的結構變化過程的差異。

4 巷道支護及礦壓觀測研究

4.1 巷道支護

巖層結構特征的分析以及沿空巷道應力場特征的分析結果表明,不規則小塊段煤體邊緣區域在支承壓力多次重新分布過程中,大多處于不同程度的破碎狀態,因此,在其服務期間要經歷大變形過程。這就要求所采用的支護應具備適應大變形的能力。

巷道掘進采用“錨桿+鋼筋梯子梁+金屬菱形網+錨索”進行支護,頂錨桿采用 M SGLW-335/20-2200型高強度錨桿樹脂錨桿,“5.5”排矩形布置,排間距 0.8 m×0.8 m,樹脂藥卷M SCK2355型、M SZ2355型各1卷。

頂錨索采用SKP(L)17.8-6/1860型錨索,長度為6.3 m,“2.2”排矩形布置,排間距3.0 m ×2.4 m。

幫錨桿為M SGLW-335/18-1800型樹脂錨桿,距形布置,間排距0.9 m×0.8 m。

幫錨索為 SKP(L)17.8-6/1860型錨索,長度為6.3 m、5 m等。

工作面回采時兩巷超前支護距離擴大到100 m,支柱采用DZ28-25/100型外注式單體液壓支柱。

對于變形位移較大時,采用劈幫拉底保證巷道最小斷面。

對于錨桿、錨索失效,頂板已破碎時,套密集金屬棚支護并加大點柱支護。

4.2 采動影響下窄煤柱掘進礦壓觀測及數據分析

4.2.1 礦壓觀測點數據分析

2008年8月中旬,開始在22115運輸巷道開口施工,至9月2日已掘進巷道130 m,距正在開采的22117工作面煤壁5 m,開始對巷道受采動影響斷面變化情況進行了觀測,隨巷道掘進在距開口130 m、160 m、190 m、220 m、250 m共設測點5個,進行觀測。觀測發現,22115運輸巷道150～180 m段采掘交匯區,小煤柱幫10余根錨索預留長度縮減200～250 mm,頂幫回縮、底鼓嚴重, 190～280 m段,動壓影響區,頂底板移近量不大,但兩幫回縮嚴重,最多移近1.65 m,是受影響最大的地段。

4.2.2 錨索 (桿)測力計觀測數據分析

22115運輸巷道共安裝錨索 (桿)測力計 3個,觀測數據如表1所示。

表1 22115運輸巷道錨索 (桿)測力計觀測數據

4.2.3 頂板離層儀數據分析

22115運輸巷道共安裝頂板離層儀8個,分別在里程 70 m、120 m、170 m、220 m、270 m、320 m、370 m、420 m處,觀測數據如表2所示。

表2 頂板離層儀數據

觀測數據分析:結合現場巷道圍巖變化情況,我們可以看出,未受采動影響區域,僅有巖層淺部少量變化;采動影響區域最大離層量僅18 mm,未能反映實際情況,說明頂板離層儀安裝區域不夠高,頂板在較大高度整體發生下沉;壓力穩定區域頂板離層量最大24 mm,較能反映實際情況,即頂板離層量不大。

5 結論

(1)留小煤墻或窄煤柱沿空掘巷,可能正好使巷道處于殘存的支承壓力峰值下。掘巷之前的巷道和采空區之間的窄煤柱在掘巷后強度急劇降低,對頂板的支撐作用大幅度下降或消失,引起煤柱向巷道方向強烈地位移。巷道另一側的煤體也會因支承壓力的轉移效應向巷道方向顯著變形。同時,伴隨有頂板強烈下沉和底板鼓起。

(2)留小煤墻或窄煤柱護巷,圍巖變形的顯著特征是圍巖變形量遠大于沿空掘巷,同時,巷道的壓力主要來自小煤墻或窄煤柱一側。

(3)沿尚未穩定的采空區邊緣掘巷,由于上覆巖層的大范圍移動沒有終止,所以即使是護巷煤柱寬度較大,掘巷期間的圍巖變形量仍然很大,巷道維護困難,因而很少采用。現場采空區穩定時間約1～2個月,采空區穩定后掘巷效果較好,采煤超前壓力對掘進巷道影響不大。

(4)采掘初次交鋒對巷道掘進影響不大。

(5)采煤工作面后方100 m內采空區壓力對掘進巷道影響較大。

(6)巷道實體右側壓力顯現大,位移大,但與西下組2 m小煤柱相比左側幫壓力顯現也偏大。

(7)錨、網、梁、索結合點柱支護可以經受采動影響,巷道變形在控制范圍內。根據不規則煤體應力狀態及物性狀態特征,巷道布置采用沿空巷道;根據回采巷道的大變形特征,巷道圍巖控制原則確定為變形控制的原則。采用以上巷道圍巖控制措施后,提高了支護系統的變形適應性,并有效防止了破碎圍巖的漏冒,提高了巷道的穩定性。

(8)鎮城底煤礦采用窄煤柱布置技術共開采回收了5個工作面,回收煤炭約160萬t,與常規煤柱生產工藝相比,多回收煤炭約40萬t,實現經濟效益2億元。延長礦井服務年限5年。

[1]錢鳴高.采場礦山壓力與控制 [M].北京:煤炭工業出版社,1983

[2]王同旭,秦忠誠,時連強.圍巖變形的時間性與支護作用原理 [J].礦山壓力與頂板管理,2001(4)

[3]兗礦集團有限公司編.兗礦集團有限公司煤巷錨桿支護技術 [M].北京:煤炭工業出版社,2001

(責任編輯 張毅玲)

The design,reservation of narrow coal pillarsand analysis of m in ing pressure mechan ism

Fan Xinmin

(Zhenchengdi M ine,Xishan Coal&Power Group L td.Of Shanxi Coking Coal Group, Taiyuan,Shanxi p rovince 030201,China)

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范新民 (1964-),男,高級工程師,礦長,長期從事煤礦生產和建設技術管理工作;在井巷支護、礦山壓力及巖層控制等方面具有豐富的實踐經驗。為中國巖石力學與工程學會/軟巖工程與深部災害控制分會理事。