燕子山礦5208 巷道小煤柱留設(shè)工藝

臧 飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037003）

0 引言

作為煤炭航母的晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，近年一直大力推廣小煤柱留設(shè)工藝與沿空掘巷、沿空留巷工藝效果顯著。沿空掘巷與沿空留巷工藝可使巷道所處應(yīng)力環(huán)境得到極大改善，且對(duì)安全、高效開采有積極意義[1-4]。燕子山礦傳統(tǒng)使用的大煤柱留設(shè)，不利于資源保護(hù)與巷道保護(hù)，故在新掘巷道使用沿空掘巷技術(shù)，以期獲得良好效果。

1 工程概況

燕子山礦位于大同云岡區(qū)，主采4#煤，煤厚4.3～8.3 m，平均厚度6.5 m，近水平煤層，平均傾角3°。頂板為大同礦區(qū)典型堅(jiān)硬頂板，主要構(gòu)成為粗粒砂巖與中粒砂巖，厚度5.80～30.72 m，平均厚度13.56 m，巖石節(jié)理不發(fā)育，來(lái)壓顯現(xiàn)劇烈。5208 巷設(shè)計(jì)采用沿空掘巷技術(shù)。工作面北部為8210 采空區(qū)，屬于已采動(dòng)采空區(qū)，為5208 巷沿空掘巷提供了良好的掘巷時(shí)機(jī)。

燕子山礦8208 工作面頂?shù)装寮懊簩尤訙y(cè)試后，巖（煤）體力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果匯總，如表1 所示：

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

2 煤柱寬度計(jì)算

2.1 理論計(jì)算

本節(jié)將區(qū)段煤柱分為內(nèi)塑性區(qū)和彈性區(qū)，按照二次曲線進(jìn)行研究，結(jié)合相關(guān)強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則，得到區(qū)段煤柱的合理留設(shè)寬度。在理論計(jì)算中還要做一些必要的假設(shè)，使得問(wèn)題的解答簡(jiǎn)單?；炯僭O(shè)如下[5-8]：

1）破壞滿足摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則；

2）應(yīng)力極限平衡區(qū)在彈塑性交界處；

3）煤柱同一垂直截面內(nèi)應(yīng)力相等；

4）巷道錨桿支護(hù)為密集型，錨桿工作阻力均勻分布在巷道表面；

5）煤體的內(nèi)部是連續(xù)、均質(zhì)材料；

小煤柱寬度計(jì)算，如式（1）、式（2）所示：

式中：φ0為煤體內(nèi)摩擦角，18°；P0為支護(hù)阻力，0.2 MPa；H 為煤厚，6.5 m；γ 為上覆巖層容重，25 kN/m3；K 為應(yīng)力集中系數(shù)，2.5；C0為分別表示煤體內(nèi)聚力，0.5；x2表示錨桿錨深，取1.8 m；x3表示安全儲(chǔ)備寬度，取1.0m。

計(jì)算得：x1=2.1 m，X=4.9 m，取煤柱5 m。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)燕子山礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立FLAC 數(shù)值模擬模型[9]，如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬模型建立

煤柱留設(shè)后回采工作面，運(yùn)算模型結(jié)果如圖2所示：

由圖3 可以看出：8208 工作面回采后煤柱應(yīng)力最大水平應(yīng)力為49.2 MPa，最大垂直應(yīng)力61.8 MPa，最大水平位移為381 mm，最大垂直位移524 mm，兩幫和頂?shù)滓平糠謩e為737 mm 和810 mm。

綜合考慮煤炭回收的高效性、煤柱留設(shè)承載的安全性、現(xiàn)場(chǎng)施工的便利性，建議留設(shè)煤柱寬度為5 m。

3 圍巖控制效果分析

為了掌握燕子山5208 巷道掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在5208 巷道設(shè)立測(cè)站進(jìn)行礦壓數(shù)據(jù)收集。

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)內(nèi)容

礦壓監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：巷道表面收斂、和錨桿（索）受力，如表2 所示。

表2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容、目的及手段

3.2 表面位移觀測(cè)結(jié)果

在距離掘進(jìn)頭5m 處的斷面進(jìn)行頂板及兩幫位移的監(jiān)測(cè)，共設(shè)置9 組測(cè)點(diǎn)布置時(shí)受掘進(jìn)機(jī)及皮帶等因素的影響，結(jié)合實(shí)際情況，測(cè)量其中的A5B5、A6B6、A7B7、A8B8、CD、OD、OC 這7 組數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)分布圖如圖4所示。

圖4 頂板變形量曲線圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制巷道頂板及兩幫變形曲線圖，如圖4～圖7 所示。

圖5 頂板變形速度曲線圖

圖6 兩幫變形量曲線圖

圖7 兩幫變形速度曲線圖

由圖可知，5208 巷測(cè)站處頂?shù)装謇鄯e移近量為96 mm，兩幫累積移近量為165 mm；頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?4 mm/d，兩幫最大移近速率35 mm/d，均出現(xiàn)在測(cè)站布設(shè)后第3 d，后期圍巖移近速率較小；觀測(cè)15 d 后，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；巷道圍巖移近量整體不大，屬掘進(jìn)期內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布、變形正常釋放過(guò)程，支護(hù)合理有效。

3.3 錨桿索受力觀測(cè)結(jié)果

測(cè)站進(jìn)行錨桿索受力測(cè)試，結(jié)果如圖8、圖9 所示。由圖可知，頂板錨桿最大受力為95.7 kN，兩幫錨桿最大受力為22.3 kN，錨索最大受力138 kN；測(cè)力計(jì)（液壓枕）安裝后前3 d 變化明顯，之后逐漸趨于穩(wěn)定；錨桿（索）受力整體不大，錨桿最大受力不到其桿體屈服載荷的75.4%，滿足要求。

圖8 錨桿受力曲線圖

圖9 錨索受力曲線圖

4 結(jié)論

小煤柱開采煤炭資源既提高了煤炭利用率，也滿足煤礦綠色、安全、高效生產(chǎn)需求。燕子山礦采用小煤柱生產(chǎn)方式，5208 巷變形頂?shù)装謇鄯e移近量為96 mm，兩幫累積移近量為165 mm，變形均屬于巷道圍巖正常壓力釋放現(xiàn)象，滿足安全生產(chǎn)要求。