淺埋深綜放工作面小煤柱開采技術研究

趙 耀

(山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司,山西 忻州 036503)

煤炭作為能源結構中重要的一環,需求量與日俱增。目前礦井煤炭損失總量的90%都集中在留設護巷煤柱方面,因此小煤柱的推廣使用,不僅是煤礦開采技術的需求,也是現階段節約能源的要求。近些年,一些學者將減弱側向支承壓力對小煤柱沿空掘巷的影響作為研究方向,通過對相鄰采空區側向支撐壓力的研究,采用理論計算、礦壓分析和數值模擬等手段,推導出側向支承壓力降低區范圍,進而確定小煤柱的合理留設寬度[1-5];另一些學者在小煤柱回采巷道以及相鄰巷道內采集試驗數據,通過對數據進行整理和分析,也取得了較好的研究成果,不僅總結出了小煤柱在工作面回采時礦壓變化的一般規律,也對現場地質條件是否適合布置小煤柱沿空掘巷進行了總結[6-10]。

現有成果中關于采用主動卸壓手段改善小煤柱沿空掘巷受力狀態的研究較少。本文將以磁窯溝煤礦13102工作面煤柱作為研究對象,采用理論分析和數值模擬等手段計算出小煤柱的合理尺寸區間。為了進一步改善沿空掘巷的受力狀態,減弱回采應力對小煤柱造成的破壞,對小煤柱巷道頂板實施水力壓裂切頂卸壓技術,通過鉆孔、壓裂方案的設計與施工來調整側向應力區范圍,以期達到既能使沿空掘巷受力狀態最佳,又能減少區段煤柱的目的。

1 工作面概況

13102工作面東側為13103工作面(未布置),西側為13101工作面采空區,南側為山西華鹿陽坡泉煤礦有限公司(未采動),相鄰均為實體煤,在其上方存在10-2#煤層原10101、10102、10103、10108綜采工作面采空區。該工作面切眼長度為240 m,切眼斷面寬×高為10.0 m×3.8 m(凈斷面),進風順槽斷面寬×高為5.4 m×3.6 m(凈斷面),回風順槽斷面寬×高為5.0 m×4.0 m(凈斷面),沿煤層底板掘進,采用綜合機械化放頂煤采煤方法。

根據鉆孔探測結果,13#煤層厚度約為11.1 m。13#煤具有瀝青光澤,以半暗型煤為主，夾半亮型煤,黑色,薄層狀,暗煤亮煤交為絲炭及鏡煤細條帶,斷口參差狀,煤層裂隙發育,層內見鈣質膜及黃鐵礦結構。煤層頂板依次為中粒砂巖、細砂巖、含礫粗砂巖、細砂巖,底板為泥巖,詳情見巖層綜合柱狀圖(圖2)。

圖1 13102工作面平面布置圖

圖2 巖層綜合柱狀圖

2 合理煤柱尺寸理論分析

以磁窯溝煤礦13102工作面實際生產條件為基礎,通過建立彈塑性理論結構模型,進而推導計算出13102工作面回采過后側向支承壓力分布范圍。

為了便于分析該工作面的支承壓力,首先需要做出以下幾個假設:

1)對研究的空間模型簡化為垂直剖面,方向為沿巷道傾斜方向;

2)工作面內的巖體具有各向同性和連續性,均為理想彈塑性體;

3)若煤體受到破壞,則破壞形式為剪切破壞;

4)當煤體強度x達到極限時(x=x1),應力的邊界條件可用以下公式來表述:

(1)

式中:σy1為煤柱強度的極限值,MPa;β為煤體極限強度所在面的側壓系數,β=μ/μ(1-μ),μ為泊松比;α為煤層的傾角,(°);σx為x方向的應力,MPa;σy為y方向的應力,MPa;x為煤體強度;x1為煤體強度的極限值。

力學模型如圖3所示。圖中,采空區對煤柱的水平約束力為px,煤層傾角為α,煤巖之間的剪應力為τxy,煤層厚度為d,極限平衡區寬度為b,水平應力為σx,垂直應力為σy,垂直應力峰值為σy1。

圖3 煤柱塑性區寬度受力圖

屈服區界面應力的邊界條件及平衡方程為:

(2)

(3)

τxy=-(C0+σytanφ0)

(4)

式中:在極限平衡區內,px表示在x方向的體積力,MPa;py表示在y方向的體積力,MPa;φ0為摩擦角,(°);C0是黏聚力,MPa。

聯立推導可得:

(5)

由于方程(5)每一側的函數均為單一未知量,可以用常數B來代替等號兩側,其中B0為待定的常數,且B0=B1B2,B1、B2為常數,則可得:

(6)

由公式(1)、(2)、(6)聯立可得:

(7)

在極限平衡區內的x方向合力為零,對公式進行變形推導得:

(8)

式中:d為煤層開采厚度,取15 m;β為側壓系數,取0.37;φ0為內摩擦角,取26°;C0為黏聚力,取1.5 MPa。

采高不同,塑性區內支承壓力分布情況也不同,在此只分析采高為8 m、10 m、12 m、14 m時的塑性區支承壓力分布規律,如圖4所示。由圖分析可得:塑性區寬度范圍的變化與采高呈正相關;在垂直應力不變的情況下,若采高逐漸增大,側向支承壓力的峰值也會隨著塑性區寬度的變大而轉移向煤體深部;綜合前面的理論計算,可以推斷若區段煤柱留設寬度為38 m,則巷道恰好會處于側向支承壓力峰值下,受到超前支承壓力影響的回采巷道變形將會更加嚴重。如果依然選擇使用大煤柱作為區段煤柱,則煤柱的寬度應為塑性區的2倍以上,才能減弱側向支承壓力的影響。

圖4 不同采高對應的支承壓力分布圖

總體來看,通過數值模擬分析,應力降低區的寬度為17 m,而理論分析,寬度應為21 m,對地表沉降區進行分析預測,應力降低區寬度保持在19 m。因此,應力降低區的寬度在采空區穩定之后應在17～21 m之間。為了使沿空掘巷始終處于應力降低區的范圍內(假設沿空掘巷寬度為5.5 m),小煤柱的寬度應在11.5 m以下。

3 水力壓裂切頂卸壓技術

由理論分析結果可知,區段煤柱的寬度應不超過11.5 m。為了減弱回采應力對小煤柱造成的破壞,決定對小煤柱巷道頂板實施水力壓裂切頂卸壓技術手段,調整側向應力區范圍。

3.1 切頂卸壓孔布置

1)切頂卸壓孔布置在距小煤柱1.2 m處的頂板上,卸壓孔以傾斜孔為主,卸壓孔深度根據頂板直接頂及基本頂巖性及強度而定,13號煤層上方30 m范圍均為厚硬砂巖,共有4層,頂板總體強度較高,難以垮落,回采期間極易造成大范圍懸頂,增加煤柱應力集中程度,本段巖層作為主要處理層位。

2)水力預裂鉆孔孔深42.5 m,鉆孔仰角為45°,孔間距5 m,開孔位置位于頂板,鉆孔朝向與工作面推進方向相反,孔徑60 mm,如圖5所示。

(c)剖面圖

3.2 實施效果分析

3.2.1水力壓裂曲線分析

為了能夠更好地掌握水力壓裂流程并獲得詳盡的壓裂數據資料,在此采用KJ327水壓儀對水力壓裂過程進行全程監測(圖6)。通過分析可以得出以下結論:壓裂過程中,水壓儀壓力記錄最高值為28 MPa,表明該段巖體完整性與強度相對較高;13#煤層上方均為厚硬砂巖,起裂壓力均保持在20～28 MPa;圖6(a)中的壓裂孔1在壓裂初始階段,起裂壓力均達到28 MPa以上,保壓一段時間后,壓力出現驟降,這是由于孔內裂隙擴展引起的;調整孔內壓裂部位重復施工12次,孔內將會產生大量新生裂隙。

(a)壓裂孔1(2021-11-11)

3.2.2巷道變形量觀測

為了驗證水力壓裂對小煤柱的具體實施效果,并分析總結工作面回采過程中巷道變形的一般規律及回采應力對巷道變形產生的影響,對回采工作面小煤柱巷道變形進行現場連續觀測。觀測方法采用十字交叉法(如圖7),觀測區域距切眼500 m,在距切眼490 m、500 m、510 m處依次布置了3個觀測點,測點名稱分別為A1、A2、A3。在3個測點共連續觀測20 d,觀測初始時A1、A2、A3距回采工作面的距離分別為120 m、130 m、140 m。監測結果如圖8—圖11所示。

圖7 無墻段巷道變形觀測法

(a)A1測點變形量變化圖

(a)A1測點變形速率變化圖

(a)A1測點兩幫變形量變化圖

(a)A1測點兩幫移近速率變化圖

從圖8和圖9可以看出,隨著采煤工作面與測點距離的不斷縮小,頂底板和兩幫的移動速率也逐漸加快,移近量也隨之變大。其中,A1、A2、A3頂底板移近量最大值分別為123 mm、208 mm、17 mm,兩幫移近量的最大值分別為203 mm、292 mm、281 mm。

通過數據整理和分析發現:首先,兩幫的變形曲線始終在頂底板變形曲線上方,即在工作面回采過程中,兩幫變形量始終大于頂底板變形量。其次,超前工作面120 m左右時,巷道頂底板及兩幫開始出現變形;超前工作面60～120 m時,巷道變形量較小,變形速率較緩,變形量最大值僅為42 mm,變形速率最大值僅為10 mm/d;超前工作面30～60 m時,巷道變形量與變形速率均明顯增大,其中變形量最大值為180 mm,變形速率最大值為21 mm/d;超前工作面20～30 m時,巷道變形量急劇增加,變形量最大值為218 mm,移動速率最大值為43 mm/d。最后,回采巷道超前支承壓力達到峰值時的位置在工作面前方20～30 m,影響范圍在60～120 m之間。

從圖10和圖11可以看出:首先,隨著工作面的回采,觀測區測點的移近量在煤柱側與工作面側的變化量是不一致的。其次,A1、A2、A3測點在煤柱側的移近量最大值分別為152 mm、211 mm、160 mm,在工作面側移近量最大值分別為51 mm、81 mm、121 mm,煤柱側變形量均大于工作面側。最后,煤柱側移近速率最大值分別為24 mm/d、49 mm/d、40 mm/d,工作面側移近速率最大值分別為12 mm/d、18 mm/d、28 mm/d,就變形速率而言,煤柱側變形速率高于工作面側。

當小煤柱巷道頂板進行水力壓裂完成后,在現場連續收集數據,整理分析可得:各測點兩幫、頂底板在回采應力的作用下均會產生變形,在距回采工作面較遠時,變形量相對較小,速率較慢,隨著工作面的不斷推進,變形量與變形速率均會迅速增大;在采煤工作面快速推進的背景下,經過現場觀測記錄,兩幫及頂板變形量、變形速率均較小,表明采用水力壓裂手段提前將小煤柱巷道頂板切頂卸壓,對于小煤柱的留設具有很高的實用性。

4 結論

1)依據彈塑性理論結構模型,并結合磁窯溝礦的實際生產條件,推導計算可得采空區穩定后應力降低區寬度應在17～21 m之間。為了使沿空掘巷始終處于應力降低區的范圍內(假設沿空掘巷寬度為5.5 m),小煤柱的寬度應在11.5 m以下。

2)采用KJ327水壓儀對水力壓裂過程進行全程監測發現,壓裂過程中水壓儀壓力記錄最高值為22 MPa,表明該段巖體完整性與強度相對較高;13號煤層上方均為厚硬砂巖,起裂壓力均保持在14～20 MPa;壓裂孔1在壓裂初始階段,起裂壓力均達到12 MPa以上,保壓一段時間后,壓力出現驟降,這是由于孔內裂隙擴展引起的;調整孔內壓裂部位重復施工12次,孔內將會產生大量新生裂隙。

3)通過在小煤柱巷道適當位置布置十字測站,采用十字交叉法在工作面回采時進行現場觀測,發現兩幫及頂底板變形量均較小,表明選擇合適的層位進行水力壓裂主動卸壓,可以減小回采期間回采應力對煤柱的破壞作用,減少巷道變形,這對降低煤柱尺寸,節約煤炭資源,具有很強的實用性。