山西上榆泉煤礦淺埋近距離下伏煤層煤柱尺寸優(yōu)化

張云峰

(神華集團上榆泉煤礦)

確定合理的煤柱寬度，能夠改善巷道圍巖支護系統(tǒng)，減少資源損耗[1-3]。近年來，大量學(xué)者對于該領(lǐng)域的研究主要集中于合理煤柱留設(shè)和沿空掘巷圍巖控制技術(shù)方面[1,4-7]。煤柱縮小后，受側(cè)向支撐壓力的影響，小煤柱處于塑性區(qū)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差[8-10]。一般來說，有效錨固允許的錨固區(qū)圍巖變形量為500～600 mm，超過該范圍時，由于錨固區(qū)巖體的劇烈變形，錨固體系趨于失效，并且當(dāng)存在煤層群時，各煤層層間距小，上覆煤層開采后易對下伏煤層開采造成采動影響。盡管我國留小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)有了較大進步，但小煤柱易失穩(wěn)仍然是目前沿空掘巷錨桿支護所面臨的最突出最難解決的問題。本研究結(jié)合上榆泉煤礦工程地質(zhì)條件，結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬分析，合理確定該礦工作面之間的煤柱寬度，從而提高煤炭回收率。

1 工程概況

上榆泉煤礦1008工作面所在區(qū)域的地層由老至新主要有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組，埋深50～197 m，所采煤層為10#煤層，屬低瓦斯煤層、易自燃煤層，自燃發(fā)火期一般為3～4個月。巷道采用雙巷道布置，由于以往未對巷道間煤柱應(yīng)力演化規(guī)律進行系統(tǒng)研究，2條巷道間的煤柱尺寸主要依靠經(jīng)驗選取(留設(shè)煤柱寬度為20 m)。該類大煤柱方案大大降低了煤炭采出率，造成資源浪費，同時由于1008工作面頂板堅硬，加之大煤柱支撐頂板，使懸頂距離加大，導(dǎo)致頂板更不容易斷裂，為沖擊地壓的發(fā)生埋下了隱患。此外，10#煤層頂板碎屑巖層含水，雖屬弱含水層，但在工作面中北部對應(yīng)地表有石仁村水庫，該水庫季節(jié)性有水，并對其下部碎屑巖層起著補給作用，隨著工作面開采引起的煤層頂板下沉，且由于煤柱寬度過大，其承載性能較好，使得導(dǎo)水裂隙帶無法壓密閉合，為上覆巖層水體進入采煤工作面提供了通道，隨著開采范圍的增加，給礦井生產(chǎn)帶來了水災(zāi)隱患。

2 煤柱尺寸優(yōu)化數(shù)值計算

2.1 數(shù)值計算模型

基于實際地質(zhì)資料，以上榆泉煤礦二采區(qū)1006工作面輔助運輸巷和1008工作面主運輸巷之間的煤柱為研究對象，建立三維數(shù)值計算模型，模擬雙巷掘進后未受采動影響及受采動影響時，巷間煤柱寬度分別為4，6，8，10 m 時，煤柱內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及巷道圍巖變形特征。模型尺寸(長×寬×高)為100 m×50 m×80 m，利用FLAC3D軟件內(nèi)置的CABLE結(jié)構(gòu)單元體模擬實際支護條件下的錨索和錨桿，采用莫爾-庫倫計算模型，模型共有427 533個單元體。

2.2 煤柱尺寸優(yōu)化

4種不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力變化特征如圖1所示，巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線見圖2。由圖1可知：當(dāng)留設(shè)的煤柱寬度為4 m時，巷道右側(cè)實體煤層中出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致煤柱未能發(fā)揮承載作用，應(yīng)力集中于下工作面實體煤層中；在其他尺寸煤柱下，應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)于巷道左幫煤柱中間處；煤柱內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)在6 m寬煤柱時最小，結(jié)合圖2可知，6 m寬煤柱對應(yīng)的巷道頂板垂直應(yīng)力與其余尺寸煤柱對應(yīng)的巷道頂板垂直應(yīng)力差別不大，故未受采動影響下，合理的煤柱尺寸應(yīng)為6 m。

圖1 不同尺寸煤柱的垂直應(yīng)力分布特征

圖2 巷道頂板垂直應(yīng)力變化特征■—4 m煤柱；●—6 m煤柱；▲—8 m煤柱；◆—10 m煤柱

當(dāng)工作面回采10 m時，不同寬度煤柱對應(yīng)的應(yīng)力分布特征見圖3，巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線見圖4。分析圖3可知：當(dāng)煤柱寬度為10 m時，回采在煤柱中產(chǎn)生的應(yīng)力集中區(qū)明顯大于15 m煤柱和20 m煤柱。由圖4可知：當(dāng)煤柱寬度為15 m時，頂板垂直應(yīng)力最小，故選擇留設(shè)15 m寬度煤柱較為適宜。

3 巷間煤柱應(yīng)力監(jiān)測

3.1 工作面回采期間煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

本研究采用ZLGH-40G型鉆孔應(yīng)力計對煤柱應(yīng)力每隔2 d監(jiān)測1次，測點布置見圖5。分析圖6可知：1#點隨著工作面推進，煤柱應(yīng)力逐漸升高，在距離工作面 30 m左右時達到峰值 6.61 MPa；2#點隨著工作面推進，煤柱應(yīng)力逐漸升高，在距離工作面20 m左右時達到峰值6.70 MPa；3#點在距離工作面20 m左右時達到峰值6.9 MPa；4#點在距離工作面20 m附近達到峰值7.1 MPa；5#點在距離工作面 22 m左右時達到峰值8.3 MPa，孔深增加，應(yīng)力相對增加較大，符合巷道兩幫應(yīng)力分布規(guī)律；6#點在距離工作面20 m左右達到峰值8.53 MPa。分析圖7可知：巷道左幫應(yīng)力小于右?guī)蛻?yīng)力，隨工作面推進，測點與工作面的距離減小，受采動影響，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力有所升高，但由于比較接近最遠采動影響距離，初次實測應(yīng)力值較小，加之工作面推進速度較慢，故應(yīng)力升高不明顯。

圖4 巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線

3.2 巷道圍巖松動圈現(xiàn)場監(jiān)測

采用鉆孔窺視儀觀測圍巖內(nèi)部破壞情況，記錄圍巖破裂的深度和破壞程度。窺視地點布置于上榆泉煤礦1006工作面輔運輸巷，測點布置見表1。

在回采工作面附近巷道頂板中間和兩幫進行鉆孔，為方便進行窺視，頂板鉆孔傾角設(shè)計為10°。1#點處右?guī)驮诰嗫卓?.21，0.46，0.71，1.02，1.58，1.84 m處存在輕微裂隙，但圍巖整體性較好，在距孔口0.92 m處煤層較破碎，其他位置煤層完整，整體性好；該點處頂板在距孔口0.58，1.03 m處存在輕微裂隙，其他位置不存在明顯裂隙；該點處左幫在距孔口0.42，0.67，0.81 m處存在輕微裂隙，1.41，1.67 m處裂隙發(fā)育明顯。根據(jù)1#點鉆孔窺視結(jié)果，可知巷道圍巖松動圈范圍如圖8所示。

圖5 煤柱應(yīng)力測點布置示意

圖6 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測曲線■—1#點；●—2#點；▲—3#點；▼—4#點；◆—5#點；?—6#點

圖7 工作面采動應(yīng)力分布特征■—1#點；●—2#點；▲—3#點；▼—4#點；◆—5#點；?—6#點表1 1008工作面輔運輸巷窺視孔參數(shù)

測點編號測點位置鉆孔位置鉆孔直徑/mm鉆孔深度/m1#距巷道開口45 m處右?guī)?2.03.8頂板426.5左幫423.52#距巷道開口339 m處右?guī)?2.04.0頂板426.5左幫422.7

圖8 巷道圍巖松動圈情況

2#點處右?guī)驮诰嗫卓?.35，0.92，1.21，1.63 m處存在輕微裂隙，但圍巖整體性較好，在距孔口1.21 m處煤層比較破碎，其他位置煤層完整，整體性好；該點處頂板在距孔口0.25，0.57，0.68，0.84 m處存在輕微裂隙，其他位置不存在明顯裂隙；該點處左幫在距孔口0.45，0.94，1.58 m處存在輕微裂隙，1.93，2.12 m 處裂隙發(fā)育明顯。根據(jù)2#點鉆孔窺視結(jié)果，可知巷道圍巖松動圈范圍如圖9所示。

圖9 巷道圍巖松動圈情況

4 結(jié) 論

(1)未受采動影響時，上榆泉煤礦10#煤層合理的煤柱寬度為6 m，受采動影響沿空掘進巷道時，煤柱留設(shè)寬度宜為15 m。

(2)1008主運輸巷兩幫松動圈范圍為1.21～2.12 m，頂板松動圈范圍為0.84～1.03 m，可見20 m 煤柱的圍巖松動圈范圍很小，可以適當(dāng)減小煤柱尺寸。