通合煤礦2106工作面區段煤柱合理寬度研究

楊金龍

(山西鄉寧焦煤集團 東溝煤業有限公司,山西 臨汾 042100)

在我國山西、陜西、內蒙、新疆等主要產煤區域,煤炭儲量大、產量高,為我國經濟發展提供了堅實的能源保障。這些主要產煤地區的煤層厚度普遍較大,采用放頂煤采煤工藝取得了良好的經濟效益[1-2]。但是,由于一次開采厚度大,礦壓顯現劇烈,為防止巷道圍巖失穩,各大礦區往往采用留設20～40 m的大尺寸區段保護煤柱方式保證開采安全。雖然大尺寸區段保護煤柱有效降低了巷道圍巖失穩引發事故的次數,但是由于煤層厚度大,留設區段保護煤柱浪費了大量的煤炭資源[3-4]。如何在保證安全的前提下,有效縮小區段保護煤柱尺寸成為了各大礦企面臨的難題。本文以通合煤礦2106工作面為工程背景進行分析。

1 工程概況

通合煤礦位于臨汾市鄉寧縣棗嶺鄉可澗村,目前主采2號煤層,平均厚度4.5 m,煤層傾角3°～7°,煤層結構簡單。2號煤層偽頂為均厚0.3 m的炭質泥巖,直接頂為均厚2.0 m的砂質泥巖,老頂為均厚9.0 m的中砂巖,直接底為均厚8.5 m的泥巖、粉砂巖互層,老底為均厚1.8 m的中砂巖,2號煤層頂底板巖性及厚度如表1所示。

表1 2號煤層頂底板巖性及厚度

按照初始設計,2號煤層相鄰工作面間留設30 m的區段保護煤柱,以2106工作面為例,工作面可采走向長度為1 990 m,因留設區段保護煤柱將損失3.76×105t煤,是對煤炭資源的巨大浪費。

2 方案設計

根據通合煤礦2號煤層已采工作面現場礦壓監測數據,工作面礦壓顯現較為強烈。因此,要想達到縮小區段保護煤柱的目的,應先采取合理的卸壓及補強支護手段,以避免工作面回采過程中因巷道圍巖失穩而引發安全事故。

2.1 卸壓方案

根據何滿潮院士提出的“切頂短臂梁”理論,采用定向爆破技術將回采巷道及采空區頂板巖層之間的物理聯系切斷,阻斷應力傳遞路徑,可有效改善巷道圍巖應力環境,起到切頂卸壓的效果[5-6]。同時,工作面回采后頂板巖層可及時垮落充填采空區,對采場上覆巖層起到一定的支撐作用,使得上覆巖層在工作面回采后及時處于穩定狀態,不再發生破斷、翻轉,這樣同樣可降低采場礦壓顯現強度。因此,提出在上區段工作面軌道巷進行預裂爆破。

根據通合煤礦地質條件,2號煤層上方分別為0.3 m的炭質泥巖、2.0 m的砂質泥巖和9.0 m的中砂巖。采場上覆中砂巖厚度大,相對較為堅硬,工作面回采過程中不易垮落,形成大面積懸頂,從而導致工作面礦壓顯現強烈。因此,預裂爆破高度應達到采場上覆中砂巖,即切頂高度應為11.3 m.頂板巖層平均碎脹系數為1.4,若采場上方11.3 m的頂板巖層全部垮落可充滿采空區,從而對上覆巖層起到有效支撐作用。綜合考慮其他礦井的現場工程經驗及施工條件,切頂高度設計為11 m,與垂直方向夾角為15°.卸壓方案如圖1所示。

圖1 預裂爆破孔布置示意

2.2 補強支護方案

2106軌道巷為矩形巷道,巷道尺寸為寬×高=5 000 mm×3 400 mm.為保證在縮小區段保護煤柱尺寸后相鄰沿空巷道圍巖的穩定性,在原有支護基礎上進行補強支護,增大支護密度。根據現場以往支護效果及周邊相似地質條件礦井的工程經驗,補強后支護參數如下:頂板錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,頂板錨索規格為Φ22 mm×8 500 mm,間排距為900 mm×1 800 mm.幫錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm.巷道支護方案如圖2所示。

2.3 合理的區段保護煤柱尺寸設計

通過調研周邊礦井,得知留設小尺寸區段煤柱時煤柱尺寸一般在6～10 m.綜合考慮通合煤礦實際地質條件,借助FLAC3D數值模擬軟件,對區段保護煤柱寬度為4 m、8 m、12 m、16 m時巷道圍巖應力分布及塑性區范圍進行模擬分析。通合煤礦2號煤層及其頂底板巖層物理力學參數如表2所示。

表2 2號煤層及其頂底板巖層物理力學參數

模型尺寸長×寬×高=300 m×300 m×100 m,模型左右表面、前后表面及下表面均施加約束,上表面施加7.0 MPa的垂直荷載,用以模擬上覆巖層對采場的自重影響。

當區段保護煤柱寬度為4 m時,下區段回采巷道采幫出現了應力集中現象,垂直應力最大值為11.2 MPa,煤柱側垂直應力最大值僅為6 MPa,未出現應力集中現象,表明此時煤柱承載能力較差;當區段保護煤柱寬度為8 m時,下區段回采巷道采幫及煤柱側均出現了應力集中現象,巷道兩幫垂直應力分布基本呈現對稱的特點,且垂直應力最大值都在11 MPa左右;當區段保護煤柱寬度為12 m時,下區段回采巷道應力集中現象主要發生在煤柱側,垂直應力最大值為11.2 MPa;當區段保護煤柱增大到16 m時,巷道圍巖應力分布與區段保護煤柱寬度為12 m時比較相似,應力集中位置同樣出現在煤柱側,垂直應力最大值為11.3 MPa.

當區段保護煤柱寬度為4 m時,在上區段工作面回采擾動及圍巖應力的雙重影響下,區段保護煤柱全部進入塑性狀態,此時區段保護煤柱的承載能力較差,并不足以保證現場的安全生產;當區段保護煤柱寬度為8 m時,在煤柱中間約1.5 m區域處于彈性變形狀態,說明隨著區段保護煤柱尺寸的增大,煤柱的承載能力隨之增大;當區段保護煤柱寬度為12 m時,煤柱中間約2.5 m區域處于彈性變形狀態;當區段保護煤柱寬度為16 m時,煤柱中間彈性變形區域增大到6 m.

根據數值模擬結果,區段保護煤柱尺寸越大,承載能力越強,但是合理的區段煤柱尺寸應在保證安全生產的前提下,盡可能縮小煤柱尺寸。綜合考慮巷道圍巖應力分布,確定合理的區段保護煤柱尺寸為8 m.

3 現場試驗

按照前述設計方案在通合煤礦2106工作面進行現場試驗。2106工作面與相鄰2108膠帶巷之間留設寬度為8 m的區段保護煤柱,按照前述支護方案對2108膠帶巷進行巷道支護。在2106工作面回采前,提前在2106軌道巷按照前述設計方案進行預裂爆破施工。為驗證前述設計方案的合理性,在2106工作面回采期間,對2108膠帶巷圍巖變形進行現場監測,監測曲線如圖3所示。

圖3 2018膠帶巷圍巖變形現場監測曲線

如圖3所示,當2108膠帶巷圍巖穩定后,兩幫移近量最大值為197 mm,其中煤柱側變形量最大值為108 mm;頂板下沉量最大值為151 mm;底鼓量最大值為98 mm.整體來看,巷道圍巖變形量不大,可以滿足現場的安全生產需求。

4 結 語

1) 對上區段沿空巷道2106軌道巷頂板巖層進行預裂爆破,切頂高度為11 m,預裂爆破孔與垂直方向夾角為15°.

2) 下區段沿空巷道2108膠帶巷支護參數為:頂板錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,頂板錨索規格為Φ22 mm×8 500 mm,間排距為900 mm×1 800 mm.幫錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm.

3) 通過現場試驗,在前述“卸壓+補強支護”條件下,留設8 m的區段保護煤柱,巷道圍巖變形量不大,可以滿足現場的安全生產需求。