綜放工作面小煤柱沿空掘巷圍巖控制應(yīng)用

王曉波，樊 帆

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司開(kāi)拓一隊(duì)，山西 晉城 048200）

沿空掘巷是我國(guó)煤礦回采巷道布置和維護(hù)的一種技術(shù)，即在上區(qū)段工作面回采穩(wěn)定以后，沿上區(qū)段采空區(qū)邊緣留窄煤柱掘進(jìn)本區(qū)段工作面回采巷道[1-2]。相比區(qū)段之間留設(shè)寬煤柱，小煤柱沿空掘巷也可以有效隔斷采空區(qū)，若是小煤柱布置合理，巷道將處于低應(yīng)力區(qū)，巷道穩(wěn)定性更好，易于維護(hù)[3]。而沿空掘巷所留的窄煤柱不僅受到本工作面的超前采動(dòng)支承壓力影響，而且還受到上區(qū)段的側(cè)向支承壓力影響，其破壞規(guī)律比較復(fù)雜，給回采巷道的支護(hù)和維護(hù)帶來(lái)了困難[4]。本文以潞新二礦工程地質(zhì)條件為背景，開(kāi)展小煤柱沿空掘巷圍巖控制研究，確定潞新二礦小煤柱沿空掘巷合理留設(shè)尺寸及支護(hù)參數(shù)。

1 工程概況

潞新二礦主采4 號(hào)煤層，煤層平均厚度7.37 m，傾角2°～7°，采用放頂煤開(kāi)采，采放比1∶1.3，現(xiàn)煤礦在開(kāi)采4 號(hào)煤層的最后1 個(gè)工作面E4102-1 工作面，南臨近E4102 采空區(qū)，北為礦井邊界，西臨近皮帶上山，東為礦井邊界，工作面平均埋深380 m，煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 4#煤層頂?shù)装迩闆r

潞新二礦原采煤工作面區(qū)段之間均留設(shè)15～20 m 煤柱，但在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)留設(shè)15～20 m保安煤柱時(shí)，臨近采空區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)明顯，頂板壓力大，后期需要進(jìn)行起底、擴(kuò)幫，工程量大，投入資金較多：另一方面煤柱較大造成資源浪費(fèi)。為了改善巷道應(yīng)力條件，提升資源回收利用率，對(duì)E4102-1工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)行小煤柱沿空掘巷試驗(yàn)。

2 窄煤柱沿空掘巷煤柱尺寸調(diào)研

采用小煤柱開(kāi)采，一方面避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域，減小巷道圍巖受力，便于頂板管理，對(duì)于采動(dòng)影響明顯的巷道，窄煤柱巷道布置在卸壓區(qū)，后續(xù)井巷維修工程量較小，降低了成本；另一方面工作面可以減少資源浪費(fèi)，提高礦井回采率，增加礦井效益，減少井巷維修工程量及成本[5-6]。為論證潞新二礦窄煤柱沿空掘巷可行性及確定合理留設(shè)尺寸，對(duì)國(guó)內(nèi)部分礦井煤柱留設(shè)情況進(jìn)行了調(diào)研，所調(diào)研礦井煤厚范圍為2～21 m，埋深100～1 100 m，煤層傾角0°～25°。通過(guò)對(duì)26 個(gè)礦井沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在不同煤厚、埋深及傾角條件下窄煤柱留設(shè)尺寸大多分布在5～8 m 之間，主要為5 m、6 m、8 m，煤柱尺寸小于或等于4 m的分布很少。

3 窄煤柱合理尺寸研究

3.1 模型建立

依據(jù)礦井地質(zhì)資料—地層鉆孔柱狀圖北補(bǔ)24，選擇E4102-1 工作面、E4102 工作面和運(yùn)輸順槽進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)地層鉆孔柱狀圖對(duì)物理性質(zhì)相差不大的較薄的巖層進(jìn)行合并作簡(jiǎn)化處理，采用摩爾- 庫(kù)倫本構(gòu)模型[7-10]，所建模型尺寸長(zhǎng)X、寬Y、高Z 分別為800 m、800 m、160 m。

3.2 側(cè)向支承壓力分布

為了分析E4102 工作面開(kāi)采完成后采空區(qū)附近的應(yīng)力情況以及圍巖破壞情況，對(duì)E4102 工作面沿y 軸進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖完畢后E4102 采空區(qū)附近的垂直應(yīng)力分布如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)側(cè)方煤壁支承壓力分布

由云圖可知，采空區(qū)煤壁側(cè)豎直應(yīng)力數(shù)值在12 m 范圍內(nèi)均大于原巖應(yīng)力，在0～2 m 之間，豎直應(yīng)力迅速增加，峰值應(yīng)力為13.35 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.57 倍，距采空區(qū)煤壁2 m 以外，應(yīng)力開(kāi)始下降，其中2～8 m 應(yīng)力下降較為明顯，8 m外應(yīng)力下降緩慢。可見(jiàn)，窄煤柱留設(shè)尺寸應(yīng)大于2 m，參考國(guó)內(nèi)窄煤柱留設(shè)調(diào)研數(shù)據(jù)，窄煤柱尺寸最大值應(yīng)不大于8 m，所以，窄煤柱留設(shè)尺寸的試驗(yàn)范圍為2～8 m。

3.3 不同煤柱尺寸巷道破壞情況分析

由采空區(qū)側(cè)方煤壁豎直應(yīng)力分布可知，距煤壁2 m 以外，豎直應(yīng)力緩慢降低，考慮到窄煤柱側(cè)采空區(qū)煤壁已有破壞范圍，分別研究煤柱尺寸為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 下巷道應(yīng)力分布和塑性區(qū)破壞特征

（1）掘進(jìn)期間巷道破壞規(guī)律

回采巷道掘進(jìn)時(shí)，不同煤柱尺寸下，幫部和底板破壞差異較明顯，煤柱尺寸較小時(shí)，即3 m、4 m，底板破壞深度達(dá)到1.68 m，隨著煤柱尺寸增加至5 m，底板破壞深度減小至0.84 m，不同煤柱尺寸時(shí)，正幫（工作面煤壁側(cè)）破壞深度均較小，副幫（采空區(qū)側(cè)）在煤柱尺寸較小時(shí)塑性區(qū)與采空區(qū)導(dǎo)通，煤柱尺寸增加至7 m、8 m時(shí)，副幫破壞深度減小，不同煤柱尺寸下，掘進(jìn)期間回采巷道均可以保持穩(wěn)定，但煤柱尺寸較小時(shí)，礦壓顯現(xiàn)更劇烈，如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)期間回采巷道塑性區(qū)分布

（2）回采期間巷道破壞規(guī)律

當(dāng)工作面回采時(shí)，回采巷道會(huì)再次受到工作面支承壓力的影響，巷道塑性區(qū)再次發(fā)育。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，距工作面20 m 范圍內(nèi)，回采巷道承受明顯的工作面采動(dòng)壓力影響，而一般在距離工作面50 m 以外區(qū)域，工作面采動(dòng)壓力明顯減弱。為了對(duì)比回采巷道掘進(jìn)期間和回采期間的破壞情況，將回采巷道距離工作面20 m 和50 m 塑性區(qū)分布圖導(dǎo)出，如圖3 所示。

圖3 回采期間回采巷道塑性區(qū)分布

回采期間，留設(shè)不同煤柱尺寸時(shí)，受到超前支承壓力影響，幫部塑性區(qū)擴(kuò)散明顯。煤柱尺寸較小時(shí)，正幫塑性區(qū)破壞范圍和深度均較大，煤柱尺寸越小，正幫破壞越明顯，而副幫在工作面采動(dòng)應(yīng)力作用下，破壞范圍明顯擴(kuò)大，整個(gè)煤柱均已發(fā)生塑性破壞，距工作面較遠(yuǎn)區(qū)域，隨著采動(dòng)壓力影響程度變小，副幫破壞范圍和深度減小。煤柱尺寸較小時(shí)，距工作面距離較遠(yuǎn)時(shí)，副幫仍明顯破壞；煤柱尺寸較大時(shí)，相比掘進(jìn)期間，副幫未明顯破壞，則煤柱越小，其幫部礦壓顯現(xiàn)程度越劇烈，支護(hù)強(qiáng)度和回采期間維護(hù)難度越大。

通過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)，基本頂?shù)钠茢辔恢脤?duì)關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大影響，以留設(shè)不同煤柱尺寸距工作面20 m 時(shí)回采巷道破壞情況為參考，煤柱尺寸為3 m 時(shí)，頂板深部塑性區(qū)位于巷道和煤柱上方，則基本頂破斷位置易位于巷道正上方，煤柱尺寸為4 m、5 m 時(shí)，頂板深部塑性區(qū)位于煤柱上方，此時(shí)基本頂破斷位置易位于窄煤柱側(cè)，煤柱尺寸增大時(shí)，頂板深部塑性區(qū)離巷道位置越遠(yuǎn)，離煤柱越近，其基本頂破斷位置更容易位于窄煤柱側(cè)，此時(shí)巷道礦壓顯現(xiàn)更小，更易維護(hù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 窄煤柱沿空掘巷設(shè)計(jì)

以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，參考掘進(jìn)期間和回采期間的巷道破壞情況，為了避免掘進(jìn)后巷道多次翻修底板，煤柱留設(shè)尺寸應(yīng)大于4 m，綜合考慮資源回收利用，確定留設(shè)煤柱尺寸為5 m。采用支護(hù)參數(shù)如圖4 所示。

圖4 小煤柱沿空留巷支護(hù)參數(shù)

4.2 巷道破壞實(shí)測(cè)

（1）頂板圍巖探測(cè)

采用小煤柱沿空掘巷時(shí)，應(yīng)對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，確保其經(jīng)歷采動(dòng)影響后，仍保持良好的完整性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件在E4102-1 工作面運(yùn)輸順槽內(nèi)選取距離回采工作面45 m 處進(jìn)行鉆孔窺視，窺視結(jié)果如圖5 所示。

圖5 頂板鉆孔窺視情況

參照?qǐng)D5，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸順槽上部留有4.9 m的頂煤，頂煤完整性好，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙；頂煤上部有0.25 m 的炭質(zhì)泥巖，孔壁完整，未發(fā)現(xiàn)破壞的情況。由此可知，采用小煤柱沿空掘巷后，頂板完整性好，未發(fā)生明顯破壞，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙。

（2）礦壓觀測(cè)

小煤柱沿空掘巷后，服務(wù)期間，除頂板穩(wěn)定保證安全生產(chǎn)外，還需保證巷道尺寸滿足行人、運(yùn)輸?shù)刃枨蟆檎莆障锏雷冃吻闆r，在運(yùn)輸順槽布置測(cè)點(diǎn)，利用十字布點(diǎn)法，對(duì)圍巖進(jìn)行觀測(cè)。從測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（如圖6 所示）：兩幫收縮量表現(xiàn)為，在距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，兩幫變形較小，趨于穩(wěn)定；在距工作面50 m 以內(nèi)區(qū)域，兩幫變形速度加快，變形量增大，且底板突然底鼓，需進(jìn)行清底作業(yè)才能滿足使用需求，但清底量較小。可見(jiàn)留設(shè)5 m 煤柱沿空掘巷變形較小，可以滿足使用需求。

圖6 圍巖觀測(cè)

4.3 推廣建議

留設(shè)5 m 煤柱時(shí)，從圍巖控制效果分析來(lái)看，頂板較穩(wěn)定，變形量較小，目前采用頂板支護(hù)方案的強(qiáng)度可以保證回采巷道的安全，幫部圍巖存在變形，但變形量在允許范圍之內(nèi)，對(duì)工作面的后續(xù)回采影響較小，巷道底鼓程度較弱，后期維護(hù)難度較低，巷道整體穩(wěn)定性好，易于維護(hù)。

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，煤柱留設(shè)尺寸為4～8 m時(shí)，回采巷道均可以保留下來(lái)，但其礦壓顯現(xiàn)程度不同，煤柱尺寸越大，回采巷道破壞范圍和深度越小，回采巷道支護(hù)和維護(hù)難度越低。對(duì)于類似E4102-1 工作面工程地質(zhì)條件的采區(qū)，其沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸可以根據(jù)圍巖條件、采動(dòng)條件、采空區(qū)條件等綜合考慮，回采巷道礦壓顯現(xiàn)較弱時(shí)，可對(duì)類似條件工作面留設(shè)4.0 m 煤柱沿空掘巷進(jìn)行試驗(yàn)。

5 結(jié)論

1）對(duì)國(guó)內(nèi)部分礦井調(diào)研分析，窄煤柱留設(shè)尺寸分布在5～8 m 之間。

2）數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)潞新二礦E4102-1 工作面運(yùn)輸順槽窄煤柱沿空留巷尺寸應(yīng)大于2 m，最佳煤柱留設(shè)尺寸為5 m。

3）E4102-1 工作面運(yùn)輸順槽留設(shè)5 m 煤柱沿空掘巷后，頂板完整性好，巷道變形量小，可以滿足使用需求。