高瓦斯破碎煤體復(fù)雜應(yīng)力條件下小煤柱留設(shè)技術(shù)

李 鵬

(山西晉煤集團 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600)

為節(jié)約資源，提高煤炭回采率，許多煤礦摒棄了原來的寬煤柱護巷的方式，對小煤礦留巷方式進行研究。小煤柱留巷技術(shù)是采煤業(yè)的一項重大技術(shù)革新，對改善礦井巷道維護條件，降低巷道掘進率，提高煤礦回采率以及保證工作面安全回采具有重要意義。趙莊煤業(yè)1305工作面位于3#煤層一采區(qū)，煤層底板標高為340～456 m，地面標高為1 012.4～1 193.2 m，平均采深600 m. 工作面可采長度為968.8 m，傾向長度為158.4 m，面積為160 839.4 m2，平均煤厚4.6 m. 地面東側(cè)為程家莊、西范村，南側(cè)為后山村、上石堂溝。在保護煤柱內(nèi)，回采對其沒有影響。井底北側(cè)為1306工作面，已回采；西側(cè)為1319工作面，未掘進。東側(cè)為一盤區(qū)大巷，已掘進；南側(cè)為三盤區(qū)大巷，已掘進。

1305綜采工作面采用一次采全高的方式對工作面進行回采，該工作面煤層甲烷成分為4.56%～98.64%，平均70.76%，煤體破碎，煤層傾角平均5°，基本頂為12.5 m中粒砂巖，直接頂為0.78 m砂質(zhì)泥巖。在滿足通風(fēng)、運輸、行人、生產(chǎn)的前提下，采用一進一回“U”型方式，按照一盤區(qū)順槽巷道煤柱留設(shè)經(jīng)驗，煤柱留設(shè)應(yīng)為50 m，但1305工作面傾向長度只有157.7 m，如按經(jīng)驗值進行留設(shè)煤柱，工作面可采儲量將大大減少。因此，對1305工作面回風(fēng)順槽13052巷留設(shè)煤柱寬度進行探討。

1 小煤柱合理寬度確定

1.1 沿空掘巷上覆巖層垮落規(guī)律

采用理論分析的方法，研究破碎煤體復(fù)雜應(yīng)力條件下沿空掘巷上覆巖層垮落規(guī)律，對沿空掘巷上覆關(guān)鍵塊體失穩(wěn)模式與窄煤柱力學(xué)狀態(tài)進行分析，并確定沿空掘巷的可行性；破碎煤體復(fù)雜應(yīng)力條件下沿空掘巷上覆巖體通過巷道直接頂與巷道發(fā)生作用，當上區(qū)段工作面的煤層采出后，上覆巖體的垮落特征、垮落后的賦存狀態(tài)在一定程度上取決于基本頂巖層的斷裂特征及其垮落后的賦存狀態(tài)。為此，上區(qū)段工作面的回采造成高瓦斯破碎煤體復(fù)雜應(yīng)力條件下沿空掘巷上覆巖體的斷裂，見圖1.

1) 工作面支架推過后，隨著上區(qū)段煤層的采出，直接頂巖層隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與其上位的基本頂巖層發(fā)生離層。當煤層完全采出時(如工作面中部)，直接頂一般為不規(guī)則垮落。

2) 基本頂巖層在直接頂垮落后，一般在側(cè)向煤體內(nèi)斷裂，并發(fā)生回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，直至在采空側(cè)形成圖1中巖體A、巖體B、巖體C組成的鉸接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與采空區(qū)充滿程度及基本頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關(guān)。

圖1 高瓦斯破碎煤體復(fù)雜應(yīng)力條件下沿空掘巷上覆巖體結(jié)構(gòu)示意圖

3) 在基本頂巖層垮落過程中，其上覆載荷巖層隨之發(fā)生垮落。據(jù)此，可將綜放沿空掘巷上覆巖體的垮落運動分為兩組：隨煤層的開采而不規(guī)則、或者規(guī)則垮落的直接頂巖層；基本頂巖層及其上覆巖層垮落后能形成平衡結(jié)構(gòu)的巖層[1].

1.2 小煤柱寬度留設(shè)的基本原則

沿空巷道小煤柱寬度的合理選擇是沿空巷道掘進與支護技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，煤柱尺寸過大或過小都不利于巷道圍巖的支護和維護，根據(jù)沿空小煤柱護巷機理，小煤柱留設(shè)寬度必須滿足：

1) 有利于巷道采用錨桿支護，保證巷道圍巖相對完整，松動范圍較小，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用和圍巖自身承載的能力。

2) 有利于提高采區(qū)回采率，盡可能地減少煤柱損失。

3) 有利于隔離采空區(qū)，不向采空區(qū)漏風(fēng)。

4) 有利于巷道維護，使巷道布置在上區(qū)段采空區(qū)兩側(cè)煤體上方的支承壓力降低區(qū)內(nèi)，避免相鄰采區(qū)回采后殘余支承壓力與超前支承壓力的疊加作用。

1.3 合理小煤柱寬度的確定

采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對破碎煤體復(fù)雜應(yīng)力條件下沿空掘巷特征進行數(shù)值模擬研究，數(shù)值計算模型建立以后，根據(jù)趙莊煤業(yè)生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合1306工作面開采后采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布結(jié)果，在確定沿空掘巷小煤柱寬度時，選擇5 m、7 m、9 m、12 m、和15 m5個煤柱寬度方案進行模擬，在給定支護條件和圍巖力學(xué)參數(shù)條件下，只考慮煤柱寬度對煤柱穩(wěn)定與巷道變形的影響，通過對計算結(jié)果的應(yīng)力分布規(guī)律及變性特征分析，選擇最優(yōu)煤柱寬度。

要確立合理小煤柱寬度，首先要對沿空掘巷后巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律進行分析，分別取1306采空區(qū)側(cè)向80 m范圍內(nèi)的圍巖分析其垂直應(yīng)力分布規(guī)律。

巷道掘進期間不同煤柱寬度上區(qū)段工作面回采后，垂直應(yīng)力演化分布規(guī)律及垂直應(yīng)力分布與煤體邊緣距離間的關(guān)系見圖2.

在5種模擬方案中，隨著煤柱寬度的增加，在距采空區(qū)邊緣0～30 m應(yīng)力大小基本不變，0～30 m峰值應(yīng)力均約為74 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為4.9，出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣7 m處。在新掘巷道右側(cè)實體煤0～10 m內(nèi)，應(yīng)力峰值基本相同，約為25 MPa，應(yīng)力峰值位于沿空掘巷煤壁右側(cè)3 m處。煤柱寬度為5～8 m時，煤柱應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加依次增大，且僅為單個峰值；煤柱寬度為9～15 m時，煤柱應(yīng)力出現(xiàn)兩個峰值應(yīng)力，隨著煤柱寬度的增加，雙峰值之間的距離也慢慢增大，靠近上區(qū)段側(cè)的峰值趨于穩(wěn)定約為30 MPa，靠近1305工作面?zhèn)鹊拿褐鶓?yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定約為25 MPa. 9～15 m煤柱出現(xiàn)馬鞍形應(yīng)力分布，表示其依然有很大的承載性能[2].

通過理論分析和數(shù)值模擬得出，在綜合考慮13065巷幫部變形、支護形式、13052巷幫部支護、瓦斯?jié)B透的影響，并保證巷道安全的前提下，選用凈煤柱為12 m的寬度，該寬度既能避開應(yīng)力集中區(qū)又可防止老巷瓦斯?jié)B漏。

2 支護參數(shù)的選取

根據(jù)經(jīng)驗確定趙莊煤業(yè)一盤區(qū)順槽巷道支護方式，隨著巷道掘進巷幫及頂板變形量較大。因此，提出了4種支護方案，利用數(shù)值模擬方法對支護方案進行分析。方案支護參數(shù)對比表見表1.

為得出5種支護參數(shù)下圍巖控制效果，對掘進與回采期間的巷道圍巖頂?shù)装逡平?、兩幫移近量等參?shù)進行對比分析，結(jié)果見表2，圖3.

由表2、圖3可知，方案一、方案四在掘進期間的巷道變形量均遠小于原方案，考慮到巷道掘進支護成本投入及支護排距大帶來的掘進速度快，最終選擇方案四為13052沿空掘巷的支護方案。

3 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

13052巷1#綜合測站位于巷道100 m處。巷道支護方式采用方案四進行支護，頂部為全錨索支護，頂部錨索受力在220～386 kN，平均值為285.6 kN.

圖2 掘進期間不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律圖

方案頂錨索排距/mm頂錨索每排數(shù)量幫錨桿每排數(shù)量幫錨桿排距/mm幫錨索每排數(shù)量幫錨索排距/mm補強支護補打錨索數(shù)原方案1 200551 20022 4000方案一1 000551 00031 0000方案二1 200561 20022 4000方案三1 200551 20022 4001方案四1 500551 50033 0002

表2 掘進期間支護方案數(shù)值模擬結(jié)果對比表

圖3 支護方案數(shù)值模擬結(jié)果對比圖

幫部支護為每排5根，其中頂角往下依次為4根錨索，底角采用錨桿支護，其中左幫錨桿受力在40～60 kN，平均值為52.2 kN，左幫1#錨索受力為360 kN，2#錨索受力為450 kN，平均值為405 kN；右?guī)蜑槿^索支護，右?guī)湾^索受力在40～400 kN，平均值為170 kN.

現(xiàn)場采用十字布點法安設(shè)巷道圍巖表面位移測站，13052巷安裝表面位移測站共6組，通過對測站觀測頂?shù)装逑鄬σ七M量平均為220 mm，兩幫相對移進量平均為295 mm，移進量均符合支護要求[3].

4 結(jié) 語

高瓦斯小煤柱留設(shè)技術(shù)在趙莊煤業(yè)一盤區(qū)13052巷成功試驗，13052巷回采期間，頂板與幫部無明顯變化，滿足了工作面的安全、高效回采。在1305工作面與煤柱留設(shè)經(jīng)驗值50 m煤柱對比，工作面傾向長度增加38 m，工作面可采煤量增加24.01萬t，節(jié)約了煤炭資源，提高了煤炭回采率，工作面安全、高效開采。