淺談厚煤層開采切頂卸壓的煤柱控制技術(shù)

楊俊文

(山西三元煤業(yè)股份有限公司 南耀小常煤業(yè)有限公司，山西 長治 046031)

煤炭資源儲量是煤企賴以生存的根本，直接關(guān)系到企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和礦區(qū)的和諧穩(wěn)定。在國家釋放安全高效先進(jìn)產(chǎn)能的政策引導(dǎo)下，如何最大程度安全高效地回收煤炭資源成為關(guān)鍵。隨著礦井的不斷開采，煤炭資源儲量不斷減少，而傳統(tǒng)留設(shè)保護(hù)煤柱極大限制了煤炭資源的回收，資源浪費(fèi)問題日益突出，尤其對厚煤層資源回收來講問題尤為突出。如何在減少煤柱留設(shè)、甚至無煤柱前提下，安全高效回收煤炭資源成為熱點(diǎn)議題。切頂卸壓技術(shù)是通過對頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫，從而對煤柱采空側(cè)頂板的集中載荷進(jìn)行卸壓，降低煤柱受采煤活動應(yīng)力作用強(qiáng)度，對煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。該技術(shù)在我國不同頂板條件下的多類型煤層回收中得到成功應(yīng)用[1-2]。南耀小常煤業(yè)有限公司核定產(chǎn)能210萬t/a，主采3號煤層，煤層均厚6.3 m，傾斜長壁綜采放頂煤采煤工藝。為了保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，最大限度地提高煤炭資源回收率，在保證礦井安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，推廣和借鑒創(chuàng)新技術(shù)工藝勢在必行。為此，本文對厚煤層開采切頂卸壓的煤柱控制技術(shù)進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)概況

本文以相似地質(zhì)條件某礦52采區(qū)孤島工作面為工程背景。工作面設(shè)計(jì)為刀把面，里切眼長度150 m，里風(fēng)巷設(shè)計(jì)219 m，外風(fēng)巷設(shè)計(jì)402 m，運(yùn)巷長度730 m，巷道掘進(jìn)全錨支護(hù)，采用綜采放頂煤采煤工藝，可采儲量為65萬t。工作面開采3號煤層，煤層均厚6 m，平均傾角6°。工作面南部和北部均為采空區(qū)，東部為采區(qū)邊界，西部為采區(qū)大巷。為了提高煤炭資源回收率，初始設(shè)計(jì)運(yùn)巷位置保護(hù)煤柱寬度8 m，風(fēng)巷位置保護(hù)煤柱呈梯形布置，寬度6～20 m。在綜采放頂煤采煤活動影響下，保護(hù)煤柱會發(fā)生失穩(wěn)破壞，直接威脅到工作面的安全高效生產(chǎn)。因而，計(jì)劃采用切頂卸壓技術(shù)對煤柱進(jìn)行穩(wěn)定性控制。基于數(shù)值模擬軟件，對切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用于煤柱的穩(wěn)定性控制效果進(jìn)行模擬。

2 數(shù)值建模

根據(jù)工作面所賦存的地質(zhì)環(huán)境和工程實(shí)際情況，構(gòu)建相應(yīng)的UDEC數(shù)值模型，見圖1。

圖1 數(shù)值模型示意

模型規(guī)格為：長×高=300 m×100 m。附帶3號煤層的巖層結(jié)構(gòu)共計(jì)13層，按照煤層開采需求，工作面風(fēng)、運(yùn)巷實(shí)體煤幫分別布設(shè)6 m和8 m的安全煤柱。為了構(gòu)建約束型的模型體，求取有限的應(yīng)變值，模型邊界處添加約束條件，而為了與真實(shí)的上覆巖層應(yīng)力作用相匹配，在巖層上覆施加均勻分布的應(yīng)力荷載，以煤層走向?yàn)閤軸、傾向?yàn)閥軸，沿坐標(biāo)軸方向分別施加方向應(yīng)力，壓力系數(shù)設(shè)定為1.2，力學(xué)參數(shù)采用上述試驗(yàn)結(jié)果確定的參數(shù)值。其中，Mohr-colulomb模型用于模擬頂?shù)装鍘r層，應(yīng)變軟化模型用于模擬煤層，煤層使用生成泰森隨機(jī)多邊形塊體填充，以提高模擬的準(zhǔn)確性。為了較合理、系統(tǒng)地模擬工作面回采期間煤柱破壞情況，模型中以現(xiàn)場工作面尺寸和巷道尺寸(5.0 m×3.2 m)為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)鉆探資料和研究范圍，將研究模型分為7種煤巖類型，老頂以上巖層、老頂、 直接頂、煤層、直接底、老底和老底以下巖層，巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 切頂卸壓煤柱變形破壞特征數(shù)值模擬分析

切頂卸壓主要對煤柱采空側(cè)頂板的集中載荷進(jìn)行卸壓，通過切斷懸板或頂板結(jié)構(gòu)達(dá)到釋放壓力的目的。通過沿空巷道頂板切頂卸壓，切斷泥巖至上覆粉砂巖段的巖層范圍與鄰近工作面的聯(lián)系，逐步克服和治理鄰近采空區(qū)頂板運(yùn)動調(diào)整對巷道圍巖的影響。在綜放工作面回采前，利用特殊開槽鉆頭在上工作面巷道對頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破或水力切頂，使頂板內(nèi)形成一弱面，以在護(hù)巷煤柱上覆巖層中形成一個(gè)“準(zhǔn)破裂面”。上工作面回采時(shí)，在覆巖載荷作用下，采空區(qū)頂板沿“準(zhǔn)破裂面”斷裂，減少基本頂結(jié)構(gòu)的跨距，縮短側(cè)向支承壓力的作用時(shí)間，卸載或轉(zhuǎn)移工作面?zhèn)认蝽敯褰Y(jié)構(gòu)傳遞到護(hù)巷煤柱的高應(yīng)力，改善窄煤柱巷道的應(yīng)力狀態(tài)，降低窄煤柱巷道維護(hù)難度，保證礦井安全生產(chǎn)。

在現(xiàn)有錨桿支護(hù)方案下，對8 m煤柱和6 m煤柱進(jìn)行頂板切頂卸壓，在沿空巷道上方設(shè)置預(yù)裂縫，見圖2。預(yù)裂縫長度約15 m，裂縫位置延伸至上部堅(jiān)硬砂巖層。在工作面回采之后，通過對裂縫部位泰森隨機(jī)多邊形塊體進(jìn)行開挖，實(shí)現(xiàn)頂板切頂卸壓的效果。模型運(yùn)行結(jié)果，8 m煤柱和6 m煤柱在現(xiàn)有支護(hù)方案進(jìn)行頂板切頂卸壓后，煤柱內(nèi)部泰森隨機(jī)多邊形較為穩(wěn)定，未發(fā)生較大變形，只有兩幫煤體部分產(chǎn)生較小變形，煤柱穩(wěn)定性得以提升。

圖2 煤柱沿空巷道頂板切頂卸壓圖

為了形成對比，本文中分別對未使用切頂卸壓技術(shù)和使用該技術(shù)的兩種情況下，煤柱的應(yīng)力分布和位移變化規(guī)律進(jìn)行對比分析，見圖3和圖4。

圖3 煤柱垂直應(yīng)力對比曲線圖

1) 在現(xiàn)有支護(hù)下，8 m和6 m煤柱切頂卸壓后的垂直應(yīng)力對比， 8 m煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力最大為36.89 MPa，而未切頂時(shí)其為41.67 MPa，切頂卸壓后，峰值應(yīng)力降低了12.95%；6 m煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力最大為25.4 MPa，而未切頂時(shí)最大為32.03 MPa，煤柱峰值應(yīng)力強(qiáng)度降低26.1%.與未切頂卸壓相比，切頂卸壓后煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值強(qiáng)度降低，煤柱的受力環(huán)境得到了改善。

圖4 煤柱水平位移對比曲線圖

2) 采用切頂工藝后，原有因采掘活動行成的上覆巖層應(yīng)力作用結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，致使煤柱兩側(cè)幫體發(fā)生的應(yīng)變大小也出現(xiàn)了變化，進(jìn)而對原有應(yīng)變規(guī)律也作出了改變。在頂板切頂卸壓方案下，8 m和6 m煤柱的兩幫水平位移，對采空區(qū)頂板切頂卸壓后，運(yùn)巷8 m煤柱右?guī)偷淖畲笏轿灰茷?06 mm，相對未切頂時(shí)右?guī)妥畲笏轿灰茰p少了59.36%；風(fēng)巷6 m煤柱左幫的最大水平位移為182 mm，相對未切頂時(shí)減少了64.10%.在切斷頂板巖層后，8 m和6 m煤柱的水平位移變形量減少顯著；且6 m煤柱的兩幫位移量相對于8 m煤柱減少了24 mm，其兩幫煤體變形量更小，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，選用頂板切頂卸壓支護(hù)方式時(shí)，可以設(shè)計(jì)留設(shè)6 m護(hù)巷煤柱。

4 結(jié) 語

切頂卸壓后，8 m和6 m煤柱垂直應(yīng)力峰值分別降低了12.95%和26.1%，煤柱在受應(yīng)力作用下發(fā)生的最大水平位移量分別減少了300 mm和324 mm，使煤柱所受應(yīng)力環(huán)境得到極大的改善，且6 m煤柱也可達(dá)到8 m煤柱的護(hù)巷效果。為了達(dá)到切頂卸壓控制煤柱變形效果，應(yīng)當(dāng)結(jié)合采場頂板關(guān)鍵層位置確定具體預(yù)裂爆破或水力切頂深度，并且應(yīng)當(dāng)根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)及施工條件，確定水力壓裂鉆孔布置。在工作面回采過程中，為了確保巷道安全穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對煤柱變形破壞的實(shí)測。