特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度綜合確定方法

閆壽慶，張 震，席建輝，高曉進

(1.扎賚諾爾煤業有限責任公司，內蒙古 滿洲里 021410；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

隨著開采裝備及開采技術水平的不斷提高，我國煤炭行業對資源回采率的要求越來越高，傳統的20 m以上的大煤柱尺寸已經不能適應當前形勢發展的需求。近年來，無煤柱及小煤柱開采技術迅速發展。特厚煤層綜放開采由于礦壓強烈、采空區遺煤易自燃等影響因素[1-5]，較難實現無煤柱開采，因此采用小煤柱成為特厚煤層綜放開采提高資源回收率的主要途徑，而小煤柱合理寬度的確定一直是困擾著采礦行業的難題。

針對沿空掘巷小煤柱合理寬度的研究，國內外學者進行了深入的研究，取得了較為豐富的研究成果。陸士良等[6]基于煤柱內應力分布的分區來確定煤柱寬度，同時提出了以煤柱圍巖移近量作為衡量煤柱合理的指標；侯朝炯等[7]根據松散介質應力平衡理論，對煤體的應力極限平衡區寬度進行了計算，分析了巷道合理煤柱穩定性尺寸；祁方坤等[8]基于采空側煤體傾向支承壓力分布特征以及護巷煤柱體的極限平衡理論分析，結合數值模擬對綜放沿空掘巷護巷窄煤柱留設寬度進行了優化設計；張廣超等[9]針對高強度開采綜放工作面區段煤柱合理寬度留設問題，推導出低應力區范圍表達式，并采用數值模擬軟件分析不同回采階段下煤柱巷道圍巖應力與位移演化特征。綜上所述，目前針對特厚煤層小煤柱合理寬度的確定多集中于理論計算及模擬分析手段，由于客觀研究對象的復雜性及影響的多因素性[5]，研究結果往往與工程實際存在較大差距，而目前采用的現場實測數據分析下的煤柱尺寸的確定，其數據來源單一，無法精準確定煤柱合理寬度。鑒于此，本文以扎賚諾爾礦區靈東煤礦為工程背景，提出了基于JW-6型地下高頻電磁波CT系統、鉆孔應力監測系統、數值模擬等多手段下特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度的綜合確定方法，并依據此方法分析了靈東煤礦特厚煤層綜放開采側向支承壓力分布規律及演化規律，確定了特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度。

1 現場概況

扎賚諾爾礦區靈東煤礦北翼三面為特厚煤層綜放開采，工作面開采II2煤層，煤層厚度15.0～17.5 m，平均厚度16.32 m，埋深340 m，煤層傾角1°～3°，煤層普氏硬度系數2.5，節理裂隙發育。煤層直接頂為泥巖，厚度12.58 m，之上為粉砂巖、泥巖，厚度分別為1.50 m和19.53 m，底板為細砂巖、泥巖。工作面綜合鉆孔柱狀圖如圖1所示。

工作面東側為北翼二面采空區，留設區段煤柱寬度為25 m，西側為實體煤。 工作面割煤高度3.7 m，放煤高度12.62 m，傾向長度208 m，走向長度3 200 m。工作面順槽采用雙巷布置方式。

圖1 工作面綜合柱狀圖

2 特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度綜合確定方法

針對特厚煤層小煤柱合理寬度確定多集中于理論計算及模擬分析手段、現場實測數據來源單一的現狀，本文提出了基于JW-6型地下高頻電磁波CT系統、鉆孔應力監測系統、數值模擬多手段下特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度的綜合確定方法，并依據此方法分析了特厚煤層綜放開采側向支承壓力分布規律及演化規律、煤柱承載及變形特征。

2.1 基于高頻電磁波分析下煤柱寬度確定

研究表明，高頻電磁波CT系統中電磁波吸收衰減系數能夠很好地反映煤體內應力的分布狀態。較原巖應力區域而言，工作面采動影響區域不同范圍煤體內電磁波吸收衰減系數均呈現不同程度的增長，應力集中區電磁波衰減系數要明顯高于應力降低區[10-11]。

本文利用高頻電磁波CT系統對靈東煤礦25 m煤柱內應力分布狀態進行了探測分析，探測方案如圖2所示，其中A區為原巖應力區，B區為采動影響區域。

圖2 試驗鉆孔布置方案圖

高頻電磁波CT探測結果如圖3所示。由圖3可知，原巖應力A區域煤體內電磁波吸收衰減系數在6.5 dB/m以下；采動影響B區域區段煤柱內呈現單個高吸收異常區，高吸收異常區處于采空區側向11～16 m區域，高吸收異常區內電磁波衰減系數變化范圍在10.0～13.5 dB/m。因此，25 m煤柱內應力峰值高應力區分布于采空區側11～16 m區域。

2.2 基于鉆孔應力監測系統下煤柱寬度確定

回采工作面開采后，已開采范圍內上覆圍巖承載載荷向區段煤柱移動，采空區側向支承壓力分布規律，對區段煤柱寬度留設具有重要的現實意義[12]。

為得到煤柱內側向支承壓力的分布規律，在靈東煤礦北翼三面回風順槽內超前185 m范圍布置9臺鉆孔應力監測設備，用于監測側向支承壓力的動態變化特征。布置方案如圖4所示，其中測點間距為1.5 m，其中測點1～測點3距北翼二面巷幫分別為6 m、7 m、8 m，測點4～測點9距巷幫為10～15 m。分析煤柱內不同時期、不同位置處圍巖應力，如圖5所示。

圖3 煤柱不同區域高頻電磁波CT探測成果解釋

圖4 鉆孔應力監測設備布置方案

由圖5可知，在工作面由超前測點40 m推進至采空區后方200 m的過程中，煤柱內側向支承壓力先后經歷了“增長-降低-二次增長-平穩”四個階段。當各測點進入采空區后方35 m時，應力峰值轉移至煤柱內14 m位置；隨后，側向頂板繼續回轉直至采動穩定，結合圖5可知，煤體內各位置應力傳感器監測應力繼續增大，煤柱內12～14 m位置處應力集中程度超過首次應力峰值并逐漸趨于穩定，15 m位置處測點應力變化幅度較小，表明其應力峰值位置穩定于煤柱內15 m以內。因此，總結分析可知，回采工作面區段煤柱應力峰值處于煤柱內15 m位置處，即煤柱內0～14 m范圍為破碎區和塑性區。

2.3 基于數值模擬分析下煤柱寬度確定

為更好地指導煤柱寬度的留設，基于工作面綜合柱狀圖，采用數值模擬分析了不同寬度煤柱尺寸下圍巖的變形狀態。 模擬煤柱寬度分別為5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m時。 模型基礎參數見表1，模型尺寸320 m×200 m，上邊界施加垂直載荷5.25 MPa，以模擬上覆地層的重力作用，左右邊界施加水平位移約束。三維模型如圖6所示。

圖5 煤柱內應力分布規律

表1 煤層及頂底板巖石物理力學性質

圖6 三維模型

分析不同寬度煤柱破壞特征及應力分布規律可知，當煤柱寬度在5.0～10.0 m范圍內，其煤柱整體均已發生塑性破壞，煤柱內部承載載荷多為2～4 MPa，煤柱本身不再承載較大載荷，如圖7所示。

圖7 不同煤柱寬度下圍巖應力分布

圖8 不同煤柱寬度下煤柱變形狀態

圖8為不同煤柱寬度下煤幫的變形情況。由圖8可知，沿空小煤柱開采，煤幫變形多在0.8 m以上，隨著煤柱寬度的逐漸增大，煤幫變形量呈現逐漸減小的趨勢。當煤柱寬度由5 m增加到8 m時，其煤幫變形由1.4 m急劇減小至0.8 m；當煤柱由8 m繼續增加至10 m時，煤幫變形量不再發生較大的變化。

2.4 煤柱寬度確定

區段煤柱是指走向長壁工作面之間留設的保護煤柱，其主要作用是隔離采空區。區段煤柱寬度決定著下一工作面沿空巷道的位置，煤柱寬度不同，沿空巷道所受的礦壓影響不同。因此，一般將避開采動支承壓力峰值作用范圍作為確定沿空巷道位置或區段煤柱寬度的主要依據。

根據區段煤柱留設的基本原則，巷道應布置于側向應力降低區域。高頻電磁波CT探測結果表明，煤柱內應力峰值(煤柱內高吸收異常區)分布于采空區側11～16 m區域，沿空小煤柱巷道可布置在采空區側16 m范圍內，此時小煤柱合理寬度范圍6～11 m；煤體內應力分布規律現場實測表明，單側工作面回采后，側向應力峰值位于煤柱側向14 m位置處，煤柱內塑性區寬度為0～14 m，沿空小煤柱巷道可布置在采空區側14 m范圍內，小煤柱寬度范圍應小于9 m；數值模擬表明，隨著煤柱寬度的逐漸增大，煤幫變形量呈現逐漸減小的趨勢，特厚煤層沿空掘巷小煤柱寬度增大到8.0 m時，煤幫變形量不再發生較大的變化。

綜上所述，考慮到巷道寬度尺寸，煤柱合理寬度范圍應為6.0～9.0 m。

3 特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱應用

基于以上研究成果，將小煤柱在新二采區左三片進行了應用，煤柱寬度8.0 m，支護方案及應用效果如下所述。

3.1 沿空掘巷小煤柱圍巖支護方案

小煤柱巷道斷面形狀為小弧形斷面，斷面尺寸5 000 mm×4 200 mm(寬×高)(圖9)。現場沿空掘巷小煤柱圍巖支護方案如下所述。

圖9 特厚煤層綜放開采巷道支護斷面圖

1) 頂板支護。 錨桿采用桿體為18 mm左旋高強螺紋鋼錨桿，長度2.1 m，采用加長錨固方式，錨桿間排距800 mm×1 180 mm，錨固長度為1 200 mm，280 mm×200 mm×75 mm槽鋼托盤，5 mm圓鋼編制而成的鋼筋網，網片規格2 000 mm×1 180 mm，網眼尺寸為110 mm×130 mm。錨桿錨固力7 t。錨索為15.24 mm，鋼絞線錨索，長度5 300 mm，樹脂加長錨固，錨固長度2 416 mm；采用每排兩根和每排一根交錯布置，排距800 mm，間距1 180 mm，錨索錨固力12 t。

2) 兩幫支護。采用的錨桿、護具的規格及布置方式同頂板。采用的錨索型號、護具的規格及布置方式同頂板。小煤柱幫采用長度為4 300 mm錨索進行補強支護，間距1 180 mm。

3.2 沿空掘巷小煤柱圍巖變形監測

為監測小煤柱巷道圍巖變形，工作面回采期間分別對頂底板及兩幫移近量進行了觀測。小煤柱巷道圍巖的變形監測結果如圖10所示，巷道變形現場情況如圖11所示。由圖10和圖11分析可知，隨工作面不斷推進，圍巖變形量呈現增加趨勢，超前工作面120 m處，兩測點頂底板移近量分別為50 mm、100 mm，兩測點兩幫變形量分別為50 mm、60 mm；工作面推進至測點位置，兩測點頂底板移近量分別增至230 mm、250 mm，兩測點兩幫變形量分別為250 mm、210 mm。頂底最大變形速率為25 mm/d，兩幫最大變形速率為12 mm/d。

圖10 頂底板移近量變化圖

圖11 巷道兩幫移近量變化圖

4 結 論

1) 提出了基于JW-6型地下高頻電磁波CT系統、鉆孔應力監測系統、數值模擬等多手段下特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度確定的綜合方法，分析了煤柱內應力分布狀態、煤柱的承載及變形特征。

2) 以靈東煤礦特厚煤層綜放開采為背景，利用綜合分析方法確定了合理煤柱寬度6.0～9.0 m。開采實踐表明，利用該綜合方法確定的小煤柱尺寸合理。 回采期間，巷道圍巖最大變形速率25 mm/d，巷道圍巖變形量控制在300 mm以內，變形量小，滿足工作面安全生產需要，提高了煤炭資源回收率。