某礦沿空掘巷窄煤柱合理留設與控制

郭鵬飛

(山西煤炭進出口集團 經坊煤業有限公司，山西 長治 047100)

目前,隨著礦井開采深度增加,原巖應力與復雜應力的程度增大,圍巖力學性質變化,綜放復雜應力區預留煤柱與巷道維護愈來愈困難[1-5]。復雜地質環境下,沿空掘巷的圍巖控制面臨一系列新的問題亟待解決。在煤礦生產過程中,煤巷的有效控制是安全生產的基礎;煤柱的優化能夠節省資源,提高回采率和經濟效益[6-10]。因此,研究窄煤柱穩定性的控制技術對有效控制圍巖的變形與破壞具有重要的現實意義。

張科學等[11]通過位移場分析,得出煤柱向巷道內位移普遍大于向采空區側位移,最后得出沿空掘巷窄煤柱寬度的確定方法。柏建彪等[12]通過數值計算分析,研究了綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩定性與煤柱寬度、煤層力學性質及錨桿支護強度之間的關系,針對不同煤層條件確定了相應的窄煤柱寬度,并將研究結果成功應用于實踐。李學華等[13]通過總結分析影響窄煤柱變形的關鍵因素提出了不同影響因素下保障窄煤柱穩定的控制對策。文章以某礦20109工作面回風順槽為研究背景,結合理論分析與數值模擬方法確定了工作面窄煤柱的合理寬度,為有效解決圍巖問題提供了基礎數據。

1 工程概況

某礦主采2號煤層和10號煤層,普遍埋深在300 m左右。煤層賦存平緩,一般傾角3°～5°,頂板穩定,地質構造簡單,水文地質條件簡單,涌水量小,低瓦斯,開采技術條件較好,采用綜合機械化開采方式。20109工作面為采區接續工作面,回風巷采用沿空掘巷,工作面巷道總長1 460 m,所采2號煤層賦存穩定,平均厚度6.02 m,無夾矸,煤質為碎塊、黑色、粉末狀,煤層傾角一般小于10°。2號煤頂板一般為灰黑色泥巖、粉砂巖等,厚度為2 m左右,含植物葉部化石。底板為黑色的砂泥巖、細砂巖,有時為泥巖,富含植物根部化石,厚度為3 m～6 m。各巖層物理力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanics parameters of rock strata

2 煤柱合理寬度的數值模擬及應力分析

根據20109工作面回風順槽圍巖賦存情況,建立有限差分軟件FLAC3D模擬分析所需數值計算模型,模型尺寸130 m×100 m×29 m(長×寬×高);結合采區工作面地應力測試結果,垂直(z軸方向)地應力施加地應力7.28 MPa,水平面上沿南北方向(x軸)應力分量12.80 MPa,計算中水平側壓系數取為1.0。

影響窄煤柱穩定性的因素較多,結合該礦地質條件,只考慮煤柱寬度的影響,設計分別留設4 m、6 m、8 m和10 m煤柱4個計算方案。

2.1 窄煤柱圍巖應力分布規律

研究不同寬度窄煤柱條件下巷道圍巖垂直應力場分布情況,確定合理的窄煤柱的寬度,圖1為不同窄煤柱寬度條件下營造圍巖垂直應力場分布圖。

圖1 不同窄煤柱寬度條件下巷道圍巖垂直應力場分布圖Fig.1 Distribution of vertical stress field of surrounding rock under different narrow coal pillar widths

由圖1可見,不同煤柱寬度條件下20109工作面回風順槽圍巖垂直應力分布特征為:

1)煤柱寬度為4 m～6 m時,巷道圍巖應力較小;煤柱寬度增加為8 m～10 m時,巷道圍巖應力明顯增大。

2)從窄煤柱的應力分布云圖看,當煤柱寬度為4 m～8 m時,應力圈形成不明顯,或者正在形成,護巷煤柱內的應力都處在較低水平,沒有形成煤柱內的應力集中現象;當煤柱寬度為8 m～10 m時,煤柱內的應力圈基本形成,煤柱內的應力集中程度顯著大于實體煤幫的應力集中程度。

3)巷道頂板垂直應力分布隨煤柱寬度的變化規律性不強,整體來看,隨著煤柱寬度的增加,垂直應力水平逐漸增加,形成的垂直應力等值線圈也越來越大。

綜上所述,窄煤柱寬度不同時,巷道圍巖應力特征變化較為明顯綜合考慮整個巷道圍巖的應力分布特征,認為煤柱寬度小于8 m時巷道圍巖處在較好的應力環境中。

2.2 掘巷期間窄煤柱變形規律

為確定合理的窄煤柱的寬度,研究掘進期間不同窄煤柱條件下窄煤柱內水平位移場分布情況,分析得出掘巷期間沿空掘巷煤柱內水平位移具有以下特征:

煤柱寬度4 m～8 m時,煤柱向采空區側的位移隨煤柱寬度增大而增大,窄煤柱寬度大于8 m后,煤柱向采空區側的位移隨煤柱寬度增大而減小,然后趨于穩定。煤柱6 m～8 m時的巷道位移量明顯大于4 m～8 m時的位移量。

2.3 窄煤柱圍巖變形規律

分析不同煤柱寬度條件下對頂板、底臌、煤柱以及煤幫等方面的影響。

1)頂板下沉:巷道頂板下沉量受煤柱寬度影響較大,煤柱寬度4 m～6 m時,頂板下沉量隨著煤柱寬度的增大而減小;煤柱寬度8 m～10 m時,頂板下沉量隨著煤柱寬度的增大而增大;煤柱寬度繼續增大,頂板下沉量增加幅度劇烈減小而后基本保持穩定。

2)底臌:底臌量隨煤柱寬度的增加變化不很明顯,整體來看,隨著煤柱寬度的增加,底臌量先減小后增大,在煤柱寬度為10 m時,底臌量達到最大,煤柱寬度由4 m增加到6 m時,底臌量先增大后減小,至5 m時最小底臌量達到15.6 mm;煤柱寬度由8 m增加到10 m時,底臌量緩慢增大,窄煤柱寬度繼續增大,底臌量增加幅度減小,基本可以看作保持穩定。

3)窄煤柱幫變形量:煤柱寬度從4 m增加到8 m,幫變形量劇烈減小至116.8 mm,且明顯小于煤柱寬度8 m～10 m時的變形量,煤柱寬度4 m時變形量最小,但此時煤柱已經完全處于塑性破壞狀態,承載能力很小、錨固基礎較差。

4)實體煤幫變形量:實體煤幫變形量隨煤柱寬度的增加先減小后增大再減小,當煤柱寬度由4 m增大至8 m時,實體煤幫變形量由74.1 mm減小至67.7 mm,在煤柱寬度8 m～10 m的范圍內,實體煤幫變形量逐漸增大,在窄煤柱寬度為10 m的基礎上繼續增大其寬度,實體煤幫變形開始緩慢減小。

綜上所述,在煤柱寬度為6 m～8 m時,巷道頂底板移近量、兩幫移近量都在一個比較合理的范圍內。

3 沿空巷道礦壓監測與分析

20109順槽中安設礦壓測站,其中回風順槽為沿空掘巷,留設8 m煤柱。20109工作面水平構造應力大且與巷道走向垂直,原巖應力與工作面采動應力對巷道圍巖穩定影響較大,布置礦壓測站,對工作面回采巷道圍巖變形與破壞狀況進行全面、系統的監測,以獲得圍巖的位移和應力信息,從而判斷巷道圍巖的穩定程度和安全性。

采用測距儀觀測頂底板和兩幫相對移近量以及相對移近速度,采集測站數據并對其進行分析。

膠帶巷由于在實體煤中,掘進和回采期間相對穩定。回風巷沿采空區留設8 m煤柱掘進,是本次礦壓觀測重點。礦壓觀測時間歷時約200 d,巷道頂底板和兩幫相對移近量,繪制回風巷表面位移量與時間關系曲線圖。

分析曲線圖知,巷道掘巷后的短時間內變形速度較快,巷道斷面通過變形釋放部分圍巖應力;隨著不斷推進,巷道逐漸產生較大變形,兩幫變形表現尤為明顯,且煤柱側向巷道內移進量大于兩幫移近量,說明兩幫變形主要來自煤柱一側的變形。

通過頂板離層儀監測巷道各上覆巖層相對位移量,儀器設置1.5 m、4 m和8 m 3個不同深度的基點,分別對應監測煤層頂板、直接頂及基本頂,離層儀監測讀數匯總曲線如圖2所示。

圖2 巷道頂板覆巖相對位移與時間關系曲線Fig.2 The relationship between the relative displacement of overlying strata and the time

頂板離層儀讀數曲線反映了巷道頂板與上覆巖層監測點的相對位移,結合巷道頂底板移近量曲線,對比分析不同深度基點讀數曲線,可得以下結論:8 m深基點基本頂最為穩定,巖層位移量最小,可作為其他巖層位移的參照層;測站安設前兩周,1.5 m深基點相對位移最小,表明頂板下沉量主要是錨桿錨固區外煤層冒落引起,而位移量隨后趨于穩定,表明方格金屬網有效支護了冒落煤層;4 m深基點基本頂巖層下沉位移也不大,表明該巖層承載能力較強,作為支護的受力層能夠滿足圍巖穩定的需求。

綜上分析,確定某礦沿空掘巷留設8 m煤柱可行。根據模擬研究和礦壓觀測,煤柱仍有優化空間,有待進一步深入研究。窄煤柱的合理留設與進一步優化,提高了圍巖的穩定性,既能夠有效控制圍巖變形,又減少了資源浪費,提高了經濟效益。

4 結束語

1)由于沿空掘巷過程中窄煤柱留設寬度不同,易引起巷道的圍巖變形問題,降低生產過程中的安全性。

2)結合窄煤柱圍巖應力分布規律與窄煤柱掘巷期間圍巖變形規律,巷道位移量與兩幫移近量在煤柱寬度6 m～8 m情況下較小,確定窄煤柱的合理寬度應該在6 m～8 m。

(3)礦壓觀測8 m煤柱留設情況,巷道實體煤側變形小,相對穩定,8 m煤柱留設方案可行,能夠提高資源回采率,增加企業經濟效益。