綜采工作面螺旋鉆機回收煤柱可行性分析*

袁小浩，李正甲，蘇繼敏，劉炳權

(北京天地華泰礦業管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

目前，我國在煤炭開采中，多采用壁式體系采煤法[1]。采用壁式體系采煤法開采煤層的過程中出于安全考慮要在礦井中留設保護煤柱，但對于保護煤柱合理留設的寬度設計，主要依靠現場實際經驗確定，目前尚無合理、準確的煤柱尺寸的計算方法[2]，保護煤柱有較大的安全富余量，同時，在工作面開采過程中并未對煤柱進行回收，造成了煤炭資源的巨大浪費。已有研究表明，保護煤柱的回收利用能夠有效避免煤炭資源的浪費[3]，并給企業帶來較大的經濟利益。目前，國外對煤柱回收多年的開采實踐已取得若干成熟經驗，建立了煤柱回收的諸多回采工藝，如劈柱式、開端式、袋翼式、外進式、圣誕樹式等[4-5]，國內主要采用充填法處理采空區和空巷后，再對煤柱進行回收[6-8]。

在實際工程中，煤柱回收工作面因為其兩側都已經采空，導致其具有特殊的覆巖破壞特征及礦壓顯現規律，給煤柱回收帶來了一定的難題。同時，煤柱回采過程中往往會遇到其它已有采區的空巷等特殊情況，使得煤柱回收工作面開采面臨諸多困難[9-10]。因此研究安全的煤柱回收技術有著重要的實際意義。為此，以納林廟二號井6-2110綜采工作面為工程背景，通過對比分析研究螺旋鉆回收煤柱的合理性與可行性，確定合理的開采方案，以提高工作面資源回收率、增加企業經濟效益，為面臨煤柱回收問題的礦井提供借鑒經驗。

1 模擬計算

1.1 工程背景

納林廟煤礦二號井(簡稱“納二礦”)位于內蒙古自治區鄂爾多斯境內，可采煤層主要包括6-2煤、4-1煤、4-2煤。其開采條件好，采用一次采全高綜合機械化長壁開采，礦井實際生產能力為500萬t/a。目前礦井僅剩余6-2110工作面和6-2116工作面，其中6-2110工作面傾斜長度為248.5 m，走向長度為2 930.02 m。該工作面東鄰6-2109采空區，西鄰6-2111采空區，南鄰煤層井田邊界，北鄰煤層西翼輔運大巷。110工作面保護煤柱設計寬度為25 m，為了避免資源浪費，回采工作面的同時，在主運順槽布置自行研發的螺旋鉆機，在保護煤柱上鉆取直徑為0.8 m的鉆孔。

1.2 建立模型

FLAC3D數值模擬軟件擅長計算巖土體破壞后的大變形和峰后特性等問題，國內學者將FLAC3D引入到采礦工程中，并取得了一系列成果[11-13]。

模型的建立：此次模擬計算共設計2種方案，方案一為在保護煤柱上不鉆取鉆孔，直接開挖工作面，模擬工作面的正常回采；方案二為在距離綜采工作面100 m外的保護煤柱上鉆取鉆孔，對比觀察此時保護煤柱應力以及塑性狀態。模型的總長度為160.8 m，寬度為160 m，總高度為41.7 m，模型采用三角形單元，共計2.2×106個單元。模型的前后及左右邊界施加水平約束，模型的底部邊界固定，模型的頂部邊界為自由邊界，并且在頂部施加巖層自重，自重載荷為4.724 MPa。模型如圖1所示，主運順槽煤柱鉆孔布置如圖2所示。

圖1 工作面正面

圖2 靠近主運順槽煤柱側面

模型參數的選取：結合實驗室測得的煤體物理參數以及調研得到的巖石力學參數，最終數值模擬采用的參數見表1。

表1 納二礦巖層物理力學參數表

2 模擬分析

2.1 非采動影響

對煤柱應力的影響：圖3為依次鉆取采煤鉆孔時煤柱應力的分布圖。從圖中可以看出，在鉆取采煤鉆孔的垂直方向，形成低壓應力區，在鉆孔的水平方向，形成高應力區；相鄰的鉆孔間有明顯的相互影響，在2個鉆孔之間，形成應力場的疊加，進一步形成較高的應力區。對比煤柱中未鉆孔區域，現有采煤鉆孔的布置方式使鉆孔之間的煤體產生應力集中，而在鉆孔上端和下端產生卸壓作用。

圖3 鉆取鉆孔后煤柱的應力分布

對煤柱塑性區分布的影響：螺旋鉆鉆孔布置后，煤柱塑性區的分布情況如圖4所示。由圖4可知，在鉆取鉆孔時，鉆孔周圍發生塑性變形，塑性破壞的區域和煤柱應力圖中的高應力區的位置基本一致，鉆孔之間塑性區進一步發育和擴展，且塑性破壞區多存在鉆孔的兩側，并以剪切破壞為主，在實際工程中應加強施工管理,達到標準化、規范化操作，提高能源回收率。

圖4 鉆取鉆孔后煤柱塑性區變化情況

2.2 采動影響

工作面推進過程中煤柱應力：通過對比方案一、方案二，分析工作面推進過程中煤柱應力的分布規律，圖5～7為方案一和方案二實施之后煤柱應力的分布圖。通過對比2種方案，發現方案一，煤柱的應力值范圍偏大，應力值的級數多；方案二，煤柱上的應力值分布比較均勻，僅在鉆取鉆孔的位置存在部分的應力集中現象。鉆孔的上下兩端位置形成低壓應力區，應力值為1.5 MPa；在鉆孔的左右兩側，由于鉆孔之間相互的影響，形成應力場的疊加，從而形成高壓應力區，應力值大約為7.8 MPa。隨著綜采工作面不斷往前推進，煤柱的高應力區也隨之往前移動。對比2種方案下煤柱的應力分布情況發現，方案一和方案二基本上沒有明顯的差異。鉆孔對于應力分布的影響范圍集中在鉆孔周圍1.5 m的范圍內。

圖5 回采5.6 m煤柱上應力

圖6 回采56 m煤柱上應力

圖7 回采151.2 m煤柱上應力

工作面推進過程中塑性區的演化規律：對主運順槽煤柱里側塑性區的分布規律進行研究。如圖8～13所示。可見，方案二的塑性破壞區較方案一的要多；在距離主運順槽較遠的部分，2種方案下煤柱的塑性破壞區基本一致，鉆取的鉆孔對于煤柱塑性破壞區分布的影響并不明顯。當距離主運順槽15 m以外的煤柱，2種方案下的塑性破壞分布基本一致，且煤柱沒有破壞，僅上覆巖層發生了相應的剪切和拉伸變形，同時，由鉆采鉆孔引起的煤柱塑性破壞有一定范圍，約為5 m。在距主巷5 m以外，煤柱幾乎沒有發生塑性破壞，這也是方案二中支撐頂板的主要煤柱。再次證明，對于6-2110工作面現有的25 m保護煤柱，有安全富余量。

圖8 距離主運順槽0 m處的煤柱塑性區

圖9 距離主運順槽1 m處的煤柱塑性區

圖10 距離主運順槽5 m處的煤柱塑性區

圖11 距離主運順槽10 m處的煤柱塑性區

圖12 距離主運順槽15 m處的煤柱塑性區

圖13 距離主運順槽20 m處的煤柱塑性區

3 結論

(1)螺旋鉆對煤柱應力的影響主要表現在鉆孔上端和下端產生卸壓作用，而在鉆孔之間的區域產生應力集中，同時鉆孔周圍煤體的塑性破壞主要為剪切破壞。

(2)在煤層開采過程中，煤柱回收鉆孔對煤柱造成的卸壓作用范圍以及塑性區破壞范圍在鉆孔外段5 m的區域內，對煤柱造成的應力集中范圍在5～15 m，且鉆孔對剩余5 m未鉆孔區域的應力狀態基本未產生影響。

(3)模擬結果表明螺旋鉆采煤鉆孔對煤柱整體的承載能力影響小，且未破壞煤柱的整體性，納二礦110工作面螺旋鉆采煤布置方案安全合理。