通合煤礦2106工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究

楊金龍

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團 東溝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 042100)

在我國山西、陜西、內(nèi)蒙、新疆等主要產(chǎn)煤區(qū)域,煤炭儲量大、產(chǎn)量高,為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了堅實的能源保障。這些主要產(chǎn)煤地區(qū)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(jīng)濟效益[1-2]。但是,由于一次開采厚度大,礦壓顯現(xiàn)劇烈,為防止巷道圍巖失穩(wěn),各大礦區(qū)往往采用留設20～40 m的大尺寸區(qū)段保護煤柱方式保證開采安全。雖然大尺寸區(qū)段保護煤柱有效降低了巷道圍巖失穩(wěn)引發(fā)事故的次數(shù),但是由于煤層厚度大,留設區(qū)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(qū)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(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)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(zhì)泥巖,直接頂為均厚2.0 m的砂質(zhì)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?shù)装鍘r性及厚度如表1所示。

表1 2號煤層頂?shù)装鍘r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(qū)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(qū)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(jù)通合煤礦2號煤層已采工作面現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù),工作面礦壓顯現(xiàn)較為強烈。因此,要想達到縮小區(qū)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(wěn)而引發(fā)安全事故。

2.1 卸壓方案

根據(jù)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(qū)頂板巖層之間的物理聯(lián)系切斷,阻斷應力傳遞路徑,可有效改善巷道圍巖應力環(huán)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(qū),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(wěn)定狀態(tài),不再發(fā)生破斷、翻轉,這樣同樣可降低采場礦壓顯現(xiàn)強度。因此,提出在上區(qū)段工作面軌道巷進行預裂爆破。

根據(jù)通合煤礦地質(zhì)條件,2號煤層上方分別為0.3 m的炭質(zhì)泥巖、2.0 m的砂質(zhì)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(xiàn)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(shù)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(qū),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(xiàn)場工程經(jīng)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(qū)段保護煤柱尺寸后相鄰沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性,在原有支護基礎上進行補強支護,增大支護密度。根據(jù)現(xiàn)場以往支護效果及周邊相似地質(zhì)條件礦井的工程經(jīng)驗,補強后支護參數(shù)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(guī)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(qū)段保護煤柱尺寸設計

通過調(diào)研周邊礦井,得知留設小尺寸區(qū)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(zhì)條件,借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件,對區(qū)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(qū)范圍進行模擬分析。通合煤礦2號煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 2號煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

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(qū)段保護煤柱寬度為4 m時,下區(qū)段回采巷道采幫出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)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(xiàn)應力集中現(xiàn)象,表明此時煤柱承載能力較差;當區(qū)段保護煤柱寬度為8 m時,下區(qū)段回采巷道采幫及煤柱側均出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象,巷道兩幫垂直應力分布基本呈現(xiàn)對稱的特點,且垂直應力最大值都在11 MPa左右;當區(qū)段保護煤柱寬度為12 m時,下區(qū)段回采巷道應力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在煤柱側,垂直應力最大值為11.2 MPa;當區(qū)段保護煤柱增大到16 m時,巷道圍巖應力分布與區(qū)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(xiàn)在煤柱側,垂直應力最大值為11.3 MPa.

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

根據(jù)數(shù)值模擬結果,區(qū)段保護煤柱尺寸越大,承載能力越強,但是合理的區(qū)段煤柱尺寸應在保證安全生產(chǎn)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(qū)段保護煤柱尺寸為8 m.

3 現(xiàn)場試驗

按照前述設計方案在通合煤礦2106工作面進行現(xiàn)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(qū)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(xiàn)場監(jiān)測,監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 2018膠帶巷圍巖變形現(xiàn)場監(jiān)測曲線

如圖3所示,當2108膠帶巷圍巖穩(wěn)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(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。

4 結 語

1) 對上區(qū)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(qū)段沿空巷道2108膠帶巷支護參數(shù)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(guī)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(xiàn)場試驗,在前述“卸壓+補強支護”條件下,留設8 m的區(qū)段保護煤柱,巷道圍巖變形量不大,可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。