老窯破壞區厚煤層小煤柱開采安全保障技術研究

王東陽

(潞安化工集團潞寧煤業公司 安監處，山西 寧武 036706)

山西省的煤炭資源經過多年開采，許多礦井已面臨無煤可采的困境。為了節約煤炭資源、提高資源回收率、延長礦井服務年限，小煤柱、沿空留巷等技術逐漸在山西多個礦區推廣應用，并取得了良好的應用效果。但對于存在老窯破壞區的礦井而言，由于老空巷或采空區破壞了煤柱整體性，降低了老空區影響范圍內煤柱對頂板的控制作用，導致小煤柱留設過程中，巷道圍巖及煤柱穩定性下降[1-2]。同時，在小煤柱工作面回采過程中，受采動應力影響，老空區密閉結構易發生破壞失效溝通采空區[3]，對工作面安全生產構成嚴重威脅。因此，以三元微子鎮煤業老窯破壞區厚煤層為研究背景，開展小煤柱留設的關鍵因素研究，分析不同寬度煤柱條件下，煤柱、巷道圍巖及老空區變形破壞特征，并對小煤柱巷道切頂卸壓、空巷充填方案進行分析，為老窯破壞區厚煤層工作面實現安全高效開采提供有效保障。

1 工作面開采條件

微子鎮煤業15號煤層區段煤柱寬度為15.5 m，為了節約煤炭資源，提高資源回收率，延長礦井服務年限，計劃在15103工作面開展小煤柱開采技術應用，15102、15103工作面屬于厚煤層開采，在高強開采條件下，釆場上覆巖層活動劇烈、應力集中程度高、礦壓顯現程度大。同時，15102回風巷圍巖環境及受多條老空巷破壞情況，圍巖及煤柱穩定性受采空區影響。

1.1 工作面概況

15103工作面位于15102工作面東側，工作面走向長度560 m，15103工作面回風巷臨近15102工作面回風巷，該區段煤柱為計劃留設小煤柱區域，工作面布置如圖1所示。

圖1 15103工作面布置圖

1.2 煤層條件

小煤柱巷道所在15號煤層屬于太原組下段下部，巷道沿頂板掘進，上距3號煤層96.3～125.2 m，平均110.75 m.根據附近3號地質鉆孔與15102回風巷、一采區膠帶大巷掘進情況分析，15號煤層賦存較穩定，結構簡單，煤層平均厚度3.84 m，硬度系數1.5，屬中硬煤層，無大的斷裂構造，小構造發育，煤層傾角平均8°下山，含1～2層夾矸，厚度 0.3～0.8 m.

1.3 頂底板條件

煤層直接頂為1.38～3.58 m泥質砂巖，局部泥巖，屬軟弱-堅硬巖石，基本頂厚度6.15～12.2 m，中粒砂巖，質純堅硬，極限抗壓強度54.4～86 MPa，屬堅硬巖石，K2石灰巖厚度3.9～14.88 m，質純堅硬，屬堅硬巖層。平均厚度直接底為2.78～10.98 m厚黑色泥巖，屬軟弱-半堅硬巖石，老底為K1砂巖。

2 小煤柱合理寬度研究

工作面回采完成后，采空區靠近區段煤柱一側頂板大致存在兩種情況：①在靠近煤柱側向位置仍有部分頂板沒有垮落，造成工作面回采較長時間后煤柱側向支承壓力依然處于較高水平，對小煤柱巷道影響較大。②工作面回采后采空區頂板充分垮落，區段煤柱外側不存在懸頂現象，則煤柱基本處于穩定狀態，其內部應力水平較低，對煤柱送巷影響較小。為此，采用理論分析結合數值模擬方法對合理煤柱留設寬度及臨空巷道圍巖穩定性進行分析。

2.1 理論計算分析

根據彈塑性力學理論，結合微子鎮實際生產條件，計算15102工作面回采后側向支承壓力分布情況，側向支承壓力峰值距離采空區的位置(塑性區寬度)，為15103工作面窄煤柱巷道的布置提供理論依據。采空區側向支承壓力峰值離采空區邊界的距離公式[4]如下：

式中：M為煤層開采厚度，m；β為側壓系數；φ0為煤層界面內的內摩擦角，取28°；γ0為煤層傾角，取平均傾角8°；C0為煤層界面中的黏聚力，取2 MPa；Px為采空區對煤柱的側向約束力，取0.

式中：β為側壓系數；σH為最大水平主應力，MPa；σh為最小水平主應力，MPa；σv為垂直應力，MPa.

根據15102工作面地應力測試得出的最大最小主應力可以得出，β1=1.08，β2=1.25.在側壓系數一定的情況下，隨著煤層開采厚度的增大，應力降低區的范圍增大，且隨著采厚的增大側向支承壓力的峰值向煤體深部轉移[5]。工作面煤厚平均為3.84 m，結合理論計算可以看出，應力降低區范圍為5.6～7.6 m.

2.2 區段煤柱應力應變狀態數值模擬

為了進一步研究微子鎮煤礦15號煤層區段煤柱的采動應力狀態，采用數值模擬方法對區段煤柱內應力場及位移場的分布規律進行模擬，并結合理論計算結果對區段煤柱沿空掘巷的可行性進行分析。煤柱方案的留設采用小煤柱。根據微子鎮礦大采高綜采工藝特征，需要模擬煤柱兩側煤全部回采完后煤柱的穩定性，其模擬尺寸分別是： 3～12 m尺寸下煤柱的穩定性。各方案模擬的邊界條件，巖層性質等均保持不變。煤柱應力及巷道圍巖位移變化趨勢如圖2所示。

圖2 煤柱及巷道應力應變趨勢圖

煤柱寬度為3～5 m時，巷道左右幫移近量較大，極有可能出現煤柱漏空或坍塌危險；煤柱寬度為5～7 m時兩幫的相對移近量較小，但5 m煤柱承載能力小于6 m煤柱；由于中央有應力核存在，煤柱寬度為7 m時，煤柱承受的垂直應力與水平應力高于5～6 m煤柱；煤柱寬度為8～12 m時，煤柱中央應力集中程度顯著增大，煤柱極容易失穩。因此，確定出小煤柱留設尺寸范圍為5～7 m.考慮到微子鎮煤業開采技術條件，同時結合理論計算結論，最終確定煤柱尺寸為7 m.

3 小煤柱巷道側向卸壓技術研究

根據微子鎮煤礦15102工作面頂板條件，由于15號煤層基本頂為厚度6.15～12.2 m的厚中粒砂巖，頂板上方10～18 m左右為K2石灰巖，兩層頂板均致密堅硬，不易垮落，其形成的 “懸臂長梁”結構堅硬難冒，在端頭處可見煤柱側向頂板長距離懸露，在15102工作面回采后，將造成采空區側向懸頂范圍較大，在頂板回轉、下沉、斷裂過程中不斷壓迫煤柱，將集中應力傳遞至15103回風巷，最終導致相鄰巷道應力應變升高，巷道圍巖維護異常困難[6-7]。為減小15102工作面回采超前動壓及采空區懸頂對15103回風巷的不利影響，降低該巷道維護成本，提出深孔爆破側向切頂卸壓方案，切斷區段煤柱側向頂板[8]，保證巷道安全。

3.1 切縫高度分析

預裂深度H臨界設計公式如下：

H=(m-Δh1-Δh2)/(K-1)

式中：m為煤層開采高度；Δh1為頂板下沉量，m；Δh2為底鼓量，m；K為碎脹系數，1.2～1.5.

本次K取1.2，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面采高3.84 m，計算得出頂板巖層治理高度為19.2 m，基本涵蓋了基本頂中粒砂巖和K2石灰巖兩層堅硬頂板，由于沿走向K2石灰巖層位發生變化，在實際施工過程中，可根據頂板打鉆揭露情況，對鉆孔深度進行調整。

3.2 深孔爆破參數選擇

微子鎮煤礦深孔爆破所用炸藥為煤礦三級許用水膠炸藥，藥卷直徑為35 mm，根據頂板巖性及鉆孔施工機具條件，確定微子鎮堅硬頂板深孔爆破的炮孔直徑為75 mm，裝藥不耦合系數為1.25，炮孔間距選擇1.5 m.為了保證爆破過程中不對巷道支護系統構成威脅，爆破孔偏向煤柱側仰斜70°打設，孔深20.4 m.根據深孔爆破經驗，封孔長度應大于孔深1/3，封孔長度選擇7 m.15103工作面推進長度464 m，老空巷及采空區影響范圍內不進行爆破作業，共布置256個爆破孔，單次起爆數量為3個炮孔。施工位置位于15102工作面回風巷側，在工作面超前支護段以外即可對該組炮孔進行裝藥和爆破。爆破孔布置方式如圖3所示。

圖3 深孔爆破鉆孔布置圖

4 老空巷治理技術方案

4.1 老空巷對煤柱穩定性影響程度分析

為了研究老空巷對煤柱穩定性的影響程度，采用數值模擬方法對老空巷對煤柱應力分布特征與破壞狀況進行分析，評估老空巷對煤柱穩定性影響程度。

工作面推進接近老空巷過程中，煤柱豎直應力分布如圖4所示。當工作面推進至接近空巷時，煤柱處于明顯的應力集中區，受到工作面采動影響強烈?？障锝徊婵诟浇褐鶉鷰r處于應力降低區，空巷之間的煤柱內部存在1.5 m左右的彈性核區，能承受較大的載荷。距離空巷5 m外，空巷對煤柱應力分布產生影響逐步減弱。

圖4 老空巷附加煤柱應力分布圖

老空巷附近煤柱塑性區分布情況如圖5所示。當工作面推進至接近空巷時，煤柱受到工作面采動影響明顯[9]。在工作面回采影響下，空巷附近1～3 m范圍煤柱內部塑性破壞區域已經相互貫通，煤柱完全處于塑性破壞狀態。尤其是空巷交叉口處破壞更為嚴重。距離空巷5 m外，煤柱受空巷影響產生的破壞逐步減弱，煤柱內部存在1.5 m左右未屈服彈性核區。

圖5 老空巷附加煤柱塑性區分布圖

從上述分析可知，老空巷對煤柱穩定性影響較為明顯，增加了小煤柱的采動應力集中程度，并加劇了煤柱圍巖的屈服劣化[10]。老空巷對煤柱影響范圍約為3 m，該區域煤柱圍巖全部處于塑性破壞狀態，圍巖易發生大變形而失穩。因此建議對老空巷進行充填處理，采區切頂卸壓方法減緩小煤柱應力集中程度，并對老空巷前后3 m的小煤柱和巷道進行加強支護。

4.2 老空巷充填方案

1) 充填方式選擇。根據老空巷位置及煤柱穩定性要求，對比多種充填材料[11]，選擇充填工藝簡單、終凝強度較高的混凝土[12]作為充填材料，采用混凝土磚墻密閉+發泡混凝土充填方式，在老空巷開口處采用0.49 m厚混凝土磚墻密閉鉆場，而后在鉆場內充填發泡混凝土，混凝土磚墻起到切頂效果，鉆場內充填發泡混凝土材料，起到密閉采空區作用。

2) 充填體強度。混凝土磚墻采用普通燒結磚，抗壓等級MU20為宜，采用C40標號混凝土，在深孔爆破卸壓后，能在采空區后方起到一定的切頂作用，有效降低側向懸頂對充填體的壓力水平。

發泡混凝土應具有一定的強度，避免煤柱上方壓力擠壓充填體大變形，導致老空巷影響區煤柱變形量增大，充填體終凝強度保證在5 MPa以上，能夠起到支撐頂板的效果，同時密閉采空區，防止有害氣體涌入15103回風巷。

3) 充填時間。在15102回風巷揭露老空巷時，采用混凝土墻對空區進行封堵，若此時充填，由于空巷為單側封堵，充填體漿液自流距離遠，無法控制充填量及充填率，充填效果較差。為保證充填體接頂并完全封堵老空巷，可在15103回風巷掘進期間揭露老空巷后，及時密封采空區并充填。

4) 充填工藝。選用充填泵對老空巷進行充填作業，15103回風巷掘進過程中，當揭露老空巷時，在空巷開口處構筑混凝土墻，并在墻體上方預留注漿孔。充填泵及攪拌設備布置在15103回風巷內，在15103工作面回采前，完成4條空巷及1個采空區的充填作業。充填系統布置如圖6所示。

圖6 超前鉆場充填示意圖

通過現場觀測，15103回風巷整體變形量較小，深孔爆破切頂卸壓效果明顯。老空巷影響范圍內巷道圍巖基本穩定，并未出現充填體破壞導致漏風、有害氣體侵入等風險，保證了工作面安全回采。

5 結 語

1) 采用理論分析結合數值模擬方法，對煤柱合理留設寬度進行了分析，當煤柱寬度小于5 m時，巷道兩幫移近量較大，存在煤柱漏空或坍塌危險；煤柱寬度為5～7 m時可有效控制圍巖變形；煤柱寬度為8～14 m時，煤柱中央出現明顯應力核，煤柱中部應力集中程度顯著升高，極易發生失穩，最終確定煤柱寬度為7 m.

2) 針對小煤柱側向應力高的問題，提出了深孔爆破切頂卸壓方案，并針對性的制定了切縫高度及炮孔布置參數，保證了巷道的卸壓效果。

3) 老空巷對煤柱穩定性影響較大，采用數值模擬方法分析了老空巷對煤柱及巷道圍巖的影響程度，而后制定了老空巷充填技術方案，包括選擇發泡混凝土作為充填材料、充填體終凝強度保證在5 MPa以上、充填時機為15103回風巷掘進期間揭露老空巷后及時密封空區并充填。