特厚煤層綜放工作面停采煤柱合理寬度設計應用研究

龐 波

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦現階段主采9#、10#煤層，9#、10#煤層位于石炭系上統太原組。10-201工作面位于二盤區準備巷道南翼，工作面上部及周邊均為實體煤巖層，以北緊鄰二盤區三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為實體煤，以東為實體煤，緊鄰風氧化帶，靠近礦井井田邊界。10-201 工作面地面位置位于盛地溝村以南黃土丘陵一帶，地表以侵蝕性黃土梁峁為主，山上分布有梯田及坡地，地面標高+1012～+1190 m，埋深312～515 m。開采的9+10#煤，煤層厚度5.81～7.73 m，工作面傾斜長度245 m，煤層傾角3°～14°，煤層硬度2～3，頂底板巖性特征詳見表1。一盤區停采煤柱尺寸180～190 m，工作面回采期間，大巷圍巖受到應力擾動非常明顯，對應位置工作面開采后，部分巷段兩幫相對移近量達1.0 m，嚴重干擾了礦井的正常生產。為避免二盤區生產期間出現類似情況，以10-201 工作面（首采面）為背景展開相關研究。

表 1 煤層頂底板情況表

2 停采煤柱尺寸模擬研究

為掌握輔運大巷圍巖穩定性受工作面回采動壓影響的情況，依據10-201 工作面開采的實際情形，采用FLAC3D軟件進行建模分析[1]。建立模型尺寸：長度500 m（X 軸），寬度350 m（Y 軸），高度142 m（Z 軸）。煤層厚度6.5 m，底板厚度14.5 m，上覆巖層厚度121 m，模型上部巖層厚度300 m，等效垂直應力7.50 MPa。模型底面為固定邊界，側面設置位移約束。20-201 工作面布置在模型Y 軸方向中部，長度240 m，兩側為運輸順槽和回風順槽，兩側距模型邊界約50 m，開拓大巷沿Y 軸方向布置，均布置在煤層中，沿底板掘進，間距20 m。采掘巷道及工作面布置詳情如圖1。

圖1 數值模擬模型

2.1 正常情況下停采煤柱模擬分析

模擬時首先進行三條開拓大巷的開挖和支護，然后進行10-201 工作面回采巷道及切眼的開挖支護。工作面每次推進5.0 m，采高6.5 m。監測輔運大巷圍巖內應力及表面位移與回采工作面距離間的關系，整理得到結果如圖2。由圖2（a）可知，輔運大巷距回采工作面大于225 m 時，巷道頂板、兩幫圍巖內應力均為13.2 MPa 上下，且基本穩定不變；當輔運大巷與工作面間距離由225 m 繼續減小，頂板及兩幫圍巖內應力開始明顯增大，頂板巖層內應力增大最為顯著，靠近工作面一側煤幫應力大于另一側煤幫。由此說明，輔運大巷距離工作面225 m時開始受到回采動壓的影響。圖2（b）為工作面距輔運大巷225 m 時，輔運大巷圍巖塑性破壞情況，可以看出，靠近工作面一側煤幫及底板巖層塑性破壞范圍和深度明顯大于遠離工作面一側。說明此時采動影響已加劇輔運大巷圍巖的變形破壞，在不采取措施的情況下，若想讓輔運大巷不受回采工作面動壓影響，建議停采煤柱寬度不小于225 m。

圖2 輔運大巷圍巖應力與停采煤柱寬度關系及塑性分布

2.2 頂板預裂卸壓后停采煤柱模擬分析

10-201 工作面煤層為焦煤，煤炭價值較高，因此應盡可能地提高回采率。查閱相關研究成果得知[2-3]，通過切頂卸壓措施可減小回采工作面超前支承壓力對大巷圍巖穩定性的影響。為確定切頂條件下最佳煤柱寬度，同樣采用上述模型進行模擬分析，切頂垂直高度為10 倍采高65 m，切頂處距輔運大巷80 m，平行輔運大巷設置一組切頂卸壓槽，之后進行模擬分析計算。監測輔運大巷頂板巖層內垂直應力和表面位移量變化規律，整理得到結果如圖3。

由圖3（a）可以看出，隨著停采煤柱寬度的減小，輔運大巷頂板巖層垂直應力不斷增大。停采煤柱寬度由250 m 減小為150 m，頂板內垂直應力由11.7 MPa 增大至12.8 MPa，垂直應力平穩增大，增幅為1.1 MPa；停采煤柱寬度由150 m 繼續減小至100 m，頂板內垂直應力由12.8 MPa 增大至16.8 MPa，增幅為4.0 MPa。由此表明，采取切頂措施后，煤柱寬度在150～250 m 之間時，輔運大巷應力受工作面采動影響不大，當煤柱寬度小于150 m 后，輔運大巷頂板應力開始劇烈變化。由圖3（b）可以看出，輔運大巷距回采工作面大于150 m 時，不同停采煤柱寬度條件下，巷道表面無明顯差異，且頂板、兩幫移近量均小于10 cm；煤柱寬度小于150 m 時，輔運大巷頂板下沉量開始迅速增大。綜上可知，當停采煤柱寬度為125 m 時，回采工作面超前支承壓力導致輔運大巷圍巖內應力劇增，大巷表面變形量開始顯著增大。由此表明，切頂條件下，停采煤柱合理尺寸為150 m。

圖3 輔運大巷圍巖應力、位移與煤柱寬度關系

3 工作面超前斷頂卸壓措施

一盤區通過在工作面前方對頂板進行預裂卸壓，解決頂板懸而不垮的問題，減小回采動壓對大巷圍巖穩定性的影響[4]。10-201 工作面回采初期，在兩側回風順槽、運輸順槽內向頂板巖層施工鉆孔，采用放炮預裂的方式斷頂卸壓，鉆孔分別距輔運大巷80 m、120 m、150 m、175 m、200 m，每側每排施工3 個，直徑113 m，與水平方向夾角分別為15°、30°、45°，切頂高度為62.6 m，垂直煤壁施工，共30 個鉆孔。而后為保證切斷頂板的效果，又增加一些深孔爆破鉆孔，施工位置為距輔運大巷100 m、135 m、190 m、210 m，終孔處存在交叉，切頂高度77.8 m，共補打24 個預裂鉆孔，使用炸藥類型為PT473，每個預裂孔放置40～50 根藥卷，封孔深度27～30 m，采用水泥漿封孔，采用毫秒延遲正向爆破。預裂深孔布置詳情如圖4。

圖4 10-201 工作面切頂鉆孔布置示意圖（m）

4 輔運大巷圍巖穩定性分析

10-201 工作面回采期間，在輔運大巷對應工作面中部位置設置位移監測點，得到大巷表面變形量隨著與工作面距離的變化規律如圖5。工作面回采期間，輔運大巷表面變形可分為兩個階段，距工作面300～180 m 期間，兩幫移近量增大約74 mm，頂底板移近量增大約80 mm，輔運大巷已受到工作面回采影響，影響微弱，整體變形量不大；距工作面180～150 m，大巷表面變形量開始顯著增大，兩幫變形379.8 mm，頂底板相對移近量349.5 mm，此時大巷受工作面采動影響劇烈程度明顯提高，但整體變形量仍在合理范圍內，與一盤區類似條件下大巷部分段出現大面積變形破壞相比，巷道圍巖穩定性顯著提高，且能滿足礦井正常安全生產的需求，表面預裂切頂卸壓效果良好，停采煤柱尺寸合理。

5 結論

根據木瓜煤礦10-201 工作面地質條件及開采技術條件，數值模擬研究分析停采煤柱寬度需大于225 m，而采取預裂切頂措施的停采煤柱寬度150 m即可滿足要求。在10-201 工作面應用進行超前深孔爆破切頂技術，礦壓監測結果表明，工作面采動影響未導致輔運大巷圍巖大面積的過度變形破壞，切頂卸壓效果良好，起到了維護輔運大巷圍巖的作用。