高瓦斯破碎煤體復雜應力條件下小煤柱留設技術

李 鵬

(山西晉煤集團 趙莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046600)

為節(jié)約資源，提高煤炭回采率，許多煤礦摒棄了原來的寬煤柱護巷的方式，對小煤礦留巷方式進行研究。小煤柱留巷技術是采煤業(yè)的一項重大技術革新，對改善礦井巷道維護條件，降低巷道掘進率，提高煤礦回采率以及保證工作面安全回采具有重要意義。趙莊煤業(yè)1305工作面位于3#煤層一采區(qū)，煤層底板標高為340～456 m，地面標高為1 012.4～1 193.2 m，平均采深600 m. 工作面可采長度為968.8 m，傾向長度為158.4 m，面積為160 839.4 m2，平均煤厚4.6 m. 地面東側為程家莊、西范村，南側為后山村、上石堂溝。在保護煤柱內，回采對其沒有影響。井底北側為1306工作面，已回采；西側為1319工作面，未掘進。東側為一盤區(qū)大巷，已掘進；南側為三盤區(qū)大巷，已掘進。

1305綜采工作面采用一次采全高的方式對工作面進行回采，該工作面煤層甲烷成分為4.56%～98.64%，平均70.76%，煤體破碎，煤層傾角平均5°，基本頂為12.5 m中粒砂巖，直接頂為0.78 m砂質泥巖。在滿足通風、運輸、行人、生產的前提下，采用一進一回“U”型方式，按照一盤區(qū)順槽巷道煤柱留設經(jīng)驗，煤柱留設應為50 m，但1305工作面傾向長度只有157.7 m，如按經(jīng)驗值進行留設煤柱，工作面可采儲量將大大減少。因此，對1305工作面回風順槽13052巷留設煤柱寬度進行探討。

1 小煤柱合理寬度確定

1.1 沿空掘巷上覆巖層垮落規(guī)律

采用理論分析的方法，研究破碎煤體復雜應力條件下沿空掘巷上覆巖層垮落規(guī)律，對沿空掘巷上覆關鍵塊體失穩(wěn)模式與窄煤柱力學狀態(tài)進行分析，并確定沿空掘巷的可行性；破碎煤體復雜應力條件下沿空掘巷上覆巖體通過巷道直接頂與巷道發(fā)生作用，當上區(qū)段工作面的煤層采出后，上覆巖體的垮落特征、垮落后的賦存狀態(tài)在一定程度上取決于基本頂巖層的斷裂特征及其垮落后的賦存狀態(tài)。為此，上區(qū)段工作面的回采造成高瓦斯破碎煤體復雜應力條件下沿空掘巷上覆巖體的斷裂，見圖1.

1) 工作面支架推過后，隨著上區(qū)段煤層的采出，直接頂巖層隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與其上位的基本頂巖層發(fā)生離層。當煤層完全采出時(如工作面中部)，直接頂一般為不規(guī)則垮落。

2) 基本頂巖層在直接頂垮落后，一般在側向煤體內斷裂，并發(fā)生回轉或彎曲下沉，直至在采空側形成圖1中巖體A、巖體B、巖體C組成的鉸接結構。該結構的穩(wěn)定性與采空區(qū)充滿程度及基本頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關。

圖1 高瓦斯破碎煤體復雜應力條件下沿空掘巷上覆巖體結構示意圖

3) 在基本頂巖層垮落過程中，其上覆載荷巖層隨之發(fā)生垮落。據(jù)此，可將綜放沿空掘巷上覆巖體的垮落運動分為兩組：隨煤層的開采而不規(guī)則、或者規(guī)則垮落的直接頂巖層；基本頂巖層及其上覆巖層垮落后能形成平衡結構的巖層[1].

1.2 小煤柱寬度留設的基本原則

沿空巷道小煤柱寬度的合理選擇是沿空巷道掘進與支護技術的關鍵環(huán)節(jié)之一，煤柱尺寸過大或過小都不利于巷道圍巖的支護和維護，根據(jù)沿空小煤柱護巷機理，小煤柱留設寬度必須滿足：

1) 有利于巷道采用錨桿支護，保證巷道圍巖相對完整，松動范圍較小，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用和圍巖自身承載的能力。

2) 有利于提高采區(qū)回采率，盡可能地減少煤柱損失。

3) 有利于隔離采空區(qū)，不向采空區(qū)漏風。

4) 有利于巷道維護，使巷道布置在上區(qū)段采空區(qū)兩側煤體上方的支承壓力降低區(qū)內，避免相鄰采區(qū)回采后殘余支承壓力與超前支承壓力的疊加作用。

1.3 合理小煤柱寬度的確定

采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對破碎煤體復雜應力條件下沿空掘巷特征進行數(shù)值模擬研究，數(shù)值計算模型建立以后，根據(jù)趙莊煤業(yè)生產地質條件，結合1306工作面開采后采空區(qū)側向支承壓力分布結果，在確定沿空掘巷小煤柱寬度時，選擇5 m、7 m、9 m、12 m、和15 m5個煤柱寬度方案進行模擬，在給定支護條件和圍巖力學參數(shù)條件下，只考慮煤柱寬度對煤柱穩(wěn)定與巷道變形的影響，通過對計算結果的應力分布規(guī)律及變性特征分析，選擇最優(yōu)煤柱寬度。

要確立合理小煤柱寬度，首先要對沿空掘巷后巷道圍巖應力分布規(guī)律進行分析，分別取1306采空區(qū)側向80 m范圍內的圍巖分析其垂直應力分布規(guī)律。

巷道掘進期間不同煤柱寬度上區(qū)段工作面回采后，垂直應力演化分布規(guī)律及垂直應力分布與煤體邊緣距離間的關系見圖2.

在5種模擬方案中，隨著煤柱寬度的增加，在距采空區(qū)邊緣0～30 m應力大小基本不變，0～30 m峰值應力均約為74 MPa，應力集中系數(shù)約為4.9，出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣7 m處。在新掘巷道右側實體煤0～10 m內，應力峰值基本相同，約為25 MPa，應力峰值位于沿空掘巷煤壁右側3 m處。煤柱寬度為5～8 m時，煤柱應力峰值隨煤柱寬度的增加依次增大，且僅為單個峰值；煤柱寬度為9～15 m時，煤柱應力出現(xiàn)兩個峰值應力，隨著煤柱寬度的增加，雙峰值之間的距離也慢慢增大，靠近上區(qū)段側的峰值趨于穩(wěn)定約為30 MPa，靠近1305工作面?zhèn)鹊拿褐鶓Ψ逯惦S煤柱寬度的增加逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定約為25 MPa. 9～15 m煤柱出現(xiàn)馬鞍形應力分布，表示其依然有很大的承載性能[2].

通過理論分析和數(shù)值模擬得出，在綜合考慮13065巷幫部變形、支護形式、13052巷幫部支護、瓦斯?jié)B透的影響，并保證巷道安全的前提下，選用凈煤柱為12 m的寬度，該寬度既能避開應力集中區(qū)又可防止老巷瓦斯?jié)B漏。

2 支護參數(shù)的選取

根據(jù)經(jīng)驗確定趙莊煤業(yè)一盤區(qū)順槽巷道支護方式，隨著巷道掘進巷幫及頂板變形量較大。因此，提出了4種支護方案，利用數(shù)值模擬方法對支護方案進行分析。方案支護參數(shù)對比表見表1.

為得出5種支護參數(shù)下圍巖控制效果，對掘進與回采期間的巷道圍巖頂?shù)装逡平俊蓭鸵平康葏?shù)進行對比分析，結果見表2，圖3.

由表2、圖3可知，方案一、方案四在掘進期間的巷道變形量均遠小于原方案，考慮到巷道掘進支護成本投入及支護排距大帶來的掘進速度快，最終選擇方案四為13052沿空掘巷的支護方案。

3 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)

13052巷1#綜合測站位于巷道100 m處。巷道支護方式采用方案四進行支護，頂部為全錨索支護，頂部錨索受力在220～386 kN，平均值為285.6 kN.

圖2 掘進期間不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應力分布規(guī)律圖

方案頂錨索排距/mm頂錨索每排數(shù)量幫錨桿每排數(shù)量幫錨桿排距/mm幫錨索每排數(shù)量幫錨索排距/mm補強支護補打錨索數(shù)原方案1 200551 20022 4000方案一1 000551 00031 0000方案二1 200561 20022 4000方案三1 200551 20022 4001方案四1 500551 50033 0002

表2 掘進期間支護方案數(shù)值模擬結果對比表

圖3 支護方案數(shù)值模擬結果對比圖

幫部支護為每排5根，其中頂角往下依次為4根錨索，底角采用錨桿支護，其中左幫錨桿受力在40～60 kN，平均值為52.2 kN，左幫1#錨索受力為360 kN，2#錨索受力為450 kN，平均值為405 kN；右?guī)蜑槿^索支護，右?guī)湾^索受力在40～400 kN，平均值為170 kN.

現(xiàn)場采用十字布點法安設巷道圍巖表面位移測站，13052巷安裝表面位移測站共6組，通過對測站觀測頂?shù)装逑鄬σ七M量平均為220 mm，兩幫相對移進量平均為295 mm，移進量均符合支護要求[3].

4 結 語

高瓦斯小煤柱留設技術在趙莊煤業(yè)一盤區(qū)13052巷成功試驗，13052巷回采期間，頂板與幫部無明顯變化，滿足了工作面的安全、高效回采。在1305工作面與煤柱留設經(jīng)驗值50 m煤柱對比，工作面傾向長度增加38 m，工作面可采煤量增加24.01萬t，節(jié)約了煤炭資源，提高了煤炭回采率，工作面安全、高效開采。