塔山礦特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)研究

徐春虎，唐婷婷

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037003；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)白洞礦，山西 大同 037003）

1 塔山煤礦賦存情況簡(jiǎn)介

3～5 號(hào)煤層為塔山煤礦主采煤層，煤層平均厚度10.2～11.6 m，煤層賦存地質(zhì)條件較為復(fù)雜，斷層節(jié)理發(fā)育明顯，自下而上賦存1 m 破碎煤層、5 m 水平發(fā)育節(jié)理、10 m 垂直方向和傾斜發(fā)現(xiàn)節(jié)理。其中8117 綜放工作面可采傾向長(zhǎng)度平為281 m。

2 特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)應(yīng)用

2.1 問(wèn)題的提出

塔山礦一盤(pán)區(qū)8102～8105 工作面在回采期間，為有效防止煤層自燃、瓦斯涌出等問(wèn)題，采用留設(shè)38 m 寬煤柱的方式，原矩形掘進(jìn)斷面尺寸為5.3 m×3.3 m，但巷道圍巖變形明顯，冒頂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。在回采期間，圍巖破壞最嚴(yán)重時(shí)，巷道斷面尺寸僅為2.9 m×2.3 m，對(duì)工作面正常安全回采造成產(chǎn)生了極為不利的影響，且由于煤柱尺寸過(guò)大，造成煤炭資源損失量大、損失率高、回采率較低。針對(duì)上述實(shí)際情況，小煤柱留設(shè)技術(shù)研究至關(guān)重要，要求該技術(shù)在確保工作面防火、防瓦斯可靠的前提下，需同時(shí)符合窄小煤柱沿空掘巷安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行。因此，對(duì)8117 工作面煤柱留設(shè)寬度開(kāi)展了沿空掘巷的基礎(chǔ)理論分析和關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2.2 煤柱寬度的確定

2.2.1 理論計(jì)算

考慮到寬煤柱易造成煤炭資源浪費(fèi)和損失，同時(shí)，留設(shè)寬煤柱易導(dǎo)致巷道圍巖變形量加大、巷道變形破壞嚴(yán)重，不利于巷道圍巖穩(wěn)定性的維護(hù)；當(dāng)煤柱寬度過(guò)于窄小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤柱破碎嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，失去預(yù)留煤柱的意義，且無(wú)法對(duì)開(kāi)挖巷道進(jìn)行有效支護(hù)，導(dǎo)致錨桿（索）錨固力不足，不利于工作面安全生產(chǎn)；鑒于此，煤柱寬度的選擇必須合理有效，一方面需滿足巷道圍巖變形量小，錨桿（索）支護(hù)有效；另一方面需有效節(jié)約煤炭資源。

以極限平衡理論為依據(jù)，分析認(rèn)為窄煤柱最優(yōu)寬度的計(jì)算如式（1），塑性寬度、支護(hù)有效長(zhǎng)度的分布情況如圖1 所示。

圖1 窄煤柱最優(yōu)寬度示意圖

式中：B為窄煤柱最優(yōu)留設(shè)寬度，B=X1+X2+X3，m；X1為塑性區(qū)寬度，是指相鄰工作面回采后形成采空區(qū)，采空區(qū)圍巖受理狀態(tài)改變，采空區(qū)的側(cè)煤體在頂板及圍巖壓力的共同作用下發(fā)生的塑性變形寬度，m；X3為錨桿的實(shí)際有效支護(hù)長(zhǎng)度（錨固段長(zhǎng)度），一般取值 3.0 m；X2按照（X1+X3）×（0.3～0.5）進(jìn)行計(jì)算，作為煤柱穩(wěn)定補(bǔ)充寬度。其中塑性區(qū)寬度X1的由來(lái)按式(2)計(jì)算。

式中：m為煤層回采厚度，考慮8117 工作面煤層所處的煤體平均厚度為10.2～11.6 m，取回采厚度為10 m；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，查資料得出φ0= 30°；C0為煤層界面的黏結(jié)力，查資料得出C0=1.2 MPa；γ為巖層容重，查地質(zhì)資料得γ=25 kN/m3；H為巷道埋深，依據(jù)工作面埋藏深度取值400 m；A 為側(cè)壓系數(shù)，與泊松比相關(guān)，計(jì)算公式如下：A=μ/(1-μ)，泊松比μ= 0.17，算得側(cè)壓系數(shù)A =0.21；K圍巖應(yīng)力集中系數(shù)，取平均值 1.7；Px為錨桿施工后，煤幫提供的錨固摩擦阻力，取值0.25 MPa。得到X1= 2.2 m，X2= 1.56 ～2.6 m，B=6.76～7.8 m。為了保證錨桿的錨固力，保證錨桿的支護(hù)效果，錨桿的長(zhǎng)度需保證錨固段位于穩(wěn)定的煤體，確定煤柱寬度為8.0 m。

2.2.2 數(shù)值模擬

依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立模擬方案如下：工作面長(zhǎng)280 m（x=[-140，140]），煤層厚度 10 m（y=[0，15]），開(kāi)挖巷道長(zhǎng)度600 m，巷道開(kāi)挖尺寸為5.0 m×3.5 m，預(yù)留煤柱寬度分別為5、8、10 m。通過(guò)利用數(shù)據(jù)模型的模擬計(jì)算，繪制出煤柱側(cè)垂直應(yīng)力分布云圖和巷道開(kāi)挖后應(yīng)力分布情況圖，分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 垂直應(yīng)力曲線

圖3 沿空巷道開(kāi)挖后垂直應(yīng)力曲線

由圖2 可知，工作面回采后煤壁支承壓力的峰值在距離煤壁22 m 位置，距離煤壁10 m 范圍以內(nèi)支撐壓力較小，屬于低應(yīng)力區(qū)；由圖3 可知，巷道開(kāi)挖后的應(yīng)力分布有明顯變化，應(yīng)力向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移趨勢(shì)明顯。當(dāng)煤柱寬度＜10 m 時(shí)，沿空巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象不顯著，巷道處于低應(yīng)力區(qū)；當(dāng)煤柱寬度=10 m 時(shí)，煤柱有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱周邊形成應(yīng)力集中區(qū)。模擬結(jié)果表明：煤柱寬度過(guò)大，巷道的維護(hù)難度反而增加。由此可見(jiàn)，巷道煤柱寬度不宜過(guò)大，應(yīng)小于10 m 為宜，且當(dāng)煤柱尺寸為8 m 時(shí)，垂直應(yīng)力明顯較低。

2.2.3 煤柱寬度的選定

綜合考慮8117 工作面地質(zhì)條件及煤柱留設(shè)計(jì)算方案，5117 巷道成巷斷面寬度為5.2 m 以及考慮塔山礦煤層自燃、采空側(cè)瓦斯溢出等安全因素，綜合確定5117 巷道沿空側(cè)煤柱寬度為8 m。

3 工作面其它主要參數(shù)選擇

1）工作面長(zhǎng)度220 m。同煤集團(tuán)塔山礦目前開(kāi)采一、二盤(pán)區(qū)已采工作面長(zhǎng)度有270 、280 、281 m，其中二盤(pán)區(qū)已完成回采的工作面長(zhǎng)度多為270 m。8117 工作面可采長(zhǎng)度為281 m，但是不適宜布置2個(gè)工作面，且5117 巷掘進(jìn)過(guò)程中揭露夾矸等地質(zhì)構(gòu)造較多，同時(shí)結(jié)合8117 工作面實(shí)際情況考慮盡可能多的回收煤炭資源，確定8117 工作面回采長(zhǎng)度為281 m。

2）8117 頂板高抽巷與5117 回風(fēng)巷間的高差設(shè)計(jì)為15 m。8117 頂板高抽巷的底板標(biāo)高與5117 回風(fēng)巷的底板標(biāo)高相錯(cuò)高差為15 m，并且在2 條巷道預(yù)留了長(zhǎng)度20 m 的凈煤柱，實(shí)現(xiàn)高抽巷與工作面上隅角距離有效縮短，減小瓦斯?jié)B流路徑長(zhǎng)度，該設(shè)計(jì)高差通過(guò)縮短高抽巷與上隅角距離實(shí)現(xiàn)了工作面上隅角瓦斯有效治理；同時(shí)高抽巷也有利用8117 采空區(qū)瓦斯等有害氣體的排放。

3）F1 斷層為正斷層，落差1 m，傾角85°。根據(jù)8117 工作面掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)該斷層的勘探，該斷層為非含水?dāng)鄬?，?duì)工作面的影響不大；同時(shí)，采掘工程平面圖中該斷層位置為推測(cè)位置，考慮到本工作面可采推進(jìn)長(zhǎng)度較短及提高資源回收量，故取8117 工作面距F1 斷層最小垂直距離為1 m。在5117 巷掘進(jìn)過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行“有掘必探，有疑必探，先探后掘”，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)措施，必要時(shí)可對(duì)方案進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。

4）5117 巷與8112 采空區(qū)間小煤柱寬度8 m。5117 巷與8112 工作面采空區(qū)之間留設(shè)煤柱寬度為8 m，選取8117 工作面對(duì)小煤柱留設(shè)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。留設(shè)依據(jù)參見(jiàn)上述沿空掘巷小煤柱寬度選擇方案及原因。

4 應(yīng)用效果

1）8117 工作面東翼8112 工作面，回采結(jié)束時(shí)間已超過(guò)3 個(gè)月，上覆巖層垮落已基本穩(wěn)定，但是8112 采空區(qū)巖層移動(dòng)未達(dá)到充分采動(dòng)，因此8117煤柱承載的應(yīng)力更大，回采時(shí)礦壓顯現(xiàn)會(huì)更加強(qiáng)烈，須加強(qiáng)支護(hù)。

2）通過(guò)對(duì)工作面小煤柱技術(shù)的研究與應(yīng)用，在較少巷道圍巖移進(jìn)率、改善巷道穩(wěn)固性的同時(shí)，煤柱寬度從38 m 降至8 m，損失率從26 %降低至12 %，有效地降低了煤炭損失率，避免了資源的浪費(fèi)。

3）通過(guò)對(duì)同煤塔山煤礦8117 工作面5117 巷內(nèi)鉆孔窺視觀測(cè)、支承壓力觀測(cè)、頂板運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)觀測(cè)、巷道表面位移觀測(cè)以及頂板離層觀測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段和方法，表明所采取的工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)能夠保障采煤安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定塔山煤礦8117 工作面預(yù)留小煤柱寬度8 m，工作面小煤柱技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，有效地避免了寬大煤柱圍巖移進(jìn)量大導(dǎo)致的巷道變形問(wèn)題，并且小煤柱技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)煤炭損失率的降低，避免了資源的浪費(fèi)。