礦井首采工作面停采位置確定研究

張 勝

（晉能控股集團(tuán)山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司， 山西 保德 036600）

工作面停采位置確定是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到礦壓顯著、圍巖控制、綜采設(shè)備回撤以及煤炭資源開采率等多種因素[1-2]。合理確定停采位置不僅可提高煤炭采收率、減少采動(dòng)給采區(qū)巷道影響，而且有利于后續(xù)綜采設(shè)備回撤[3-5]。現(xiàn)階段綜采工作面停采位置確定一般采用理論分析、經(jīng)驗(yàn)確定、現(xiàn)場實(shí)測以及數(shù)值模擬等方式確定[6-7]。為此，文中以山西某礦1301 綜采工作面為工程背景，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測合理確定停采線位置，從而為后續(xù)采面停采位置確定提供參考。

1 工程概況

1301 工作面為礦井首采工作面，采面位于1 采區(qū)主要回采3 號(hào)煤層，3 號(hào)煤層埋深平均350 m，傾角3°～6°，硬度f值在0.7～1.5，煤層厚度平均5.92 m。采面整體位于一單斜構(gòu)造背面，地質(zhì)條件較為簡單，前期回采巷道掘進(jìn)以及物探均未探測到對采面回采有明顯影響的地質(zhì)構(gòu)造。3 號(hào)煤層直接頂、基本頂分別為厚度3.12 m 粗砂巖、3.6 m 細(xì)砂巖；直接底及基本底分別為厚度0.8 m 泥巖、4.3 m 砂質(zhì)泥巖。

1301 工作面設(shè)計(jì)斜長、走向長度分別為260 m、1 560 m，采用綜放開采方式，采放比為1.0∶1.3。采面原依據(jù)臨近礦井開采情況設(shè)計(jì)留設(shè)120 m 停采煤柱，煤柱留設(shè)方式僅通過經(jīng)驗(yàn)放確定，同時(shí)煤柱留設(shè)寬度相對較寬。為此，提出采用現(xiàn)場實(shí)測以及數(shù)值模擬方式合理確定采面停采位置，以便為后續(xù)回采工作面停采煤柱合理確定提供借鑒。

2 工作面停采位置分析

2.1 現(xiàn)場實(shí)測分析

采面回采引起的超前支承壓力受地質(zhì)條件、采高等因素影響，采用理論計(jì)算方法確定的超前支承壓力影響范圍與現(xiàn)場實(shí)際往往存在較大偏差。為了較為精準(zhǔn)的確定1301 工作面超前支承壓力分布范圍，提出采用KJ216 離層儀對回采巷道頂板離層情況進(jìn)行測定，通過掌握頂板離層情況確定超前支承壓力范圍，從而合理確定停采位置。在1301 工作面回風(fēng)巷內(nèi)每間隔10 m 布置1 臺(tái)KJ216 離層儀對巷道頂板離層情況進(jìn)行測定，具體測定結(jié)果見表1 所示。

表1 回風(fēng)巷頂板離層監(jiān)測情況

從表1 看出，隨著與工作面間距不斷增加，回風(fēng)巷頂板離層量越來越小，當(dāng)測點(diǎn)與工作面間距增加至90 m 時(shí)，頂板離層量均在3 mm 以內(nèi)。因此可認(rèn)為采面回采時(shí)超前支承壓力影響范圍為90 m。若將停采線布置距離采區(qū)巷道90 m 位置，則采面回采基本不會(huì)給采區(qū)巷道帶來不利影響。

2.2 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬技術(shù)常用于護(hù)巷煤柱、停采煤柱等寬度確定中，具有方法簡單、適應(yīng)性強(qiáng)以及結(jié)果可信度高等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)1301 工作面實(shí)際地質(zhì)情況，使用FLAC-3D 軟件構(gòu)建模擬模型，并在采面前方60m、80m、90 m、120 m 等距離布置巷道，對采面回采推進(jìn)過程中巷道圍巖變形以及塑性區(qū)分布情況等進(jìn)行分析。

2.3 超前支承壓力分布分析

具體模擬得到巷道圍巖應(yīng)力分布情況見圖1 所示。從圖中看出，當(dāng)巷道與采面間留設(shè)有60 m 停采煤柱時(shí)，采面前方的3 條巷道掘進(jìn)工作面回采超前支承壓力影響范圍內(nèi)，巷道出現(xiàn)一定的變形破壞，圍巖穩(wěn)定性整體較差；當(dāng)巷道與采面間留設(shè)有80 m 停采煤柱時(shí)，則與采面最近的巷道（即采區(qū)回風(fēng)巷）受采面回采引起的超前支承壓力影響，而與采面距離相對較遠(yuǎn)的兩個(gè)巷道（運(yùn)輸巷、軌道巷）則在超前支承壓力影響范圍之外；當(dāng)巷道與采面間留設(shè)有90 m以上寬度停采煤柱時(shí)，采區(qū)巷道處于采面引起的超前支承壓力影響范圍之外，不受采動(dòng)動(dòng)壓影響，采區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性相對較好。

圖1 巷道圍巖應(yīng)力分布情況

2.4 采區(qū)巷道塑性區(qū)分布分析

對不同寬度停采煤柱下的采區(qū)巷道（回風(fēng)巷）圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行分析，具體模擬結(jié)果見圖2 所示。

圖2 塑性區(qū)分布圖

從圖2 中看出，當(dāng)停采煤柱為60 m 寬時(shí)在采面超前支承壓力作用下，采區(qū)回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布范圍相對較大，其中底板、頂板、巷幫塑性區(qū)分布范圍分別約為2.4 m、2.0 m、1.8 m。當(dāng)停采煤柱為80 m寬時(shí)，采區(qū)回風(fēng)巷受采面超前支承壓力影響弱化，采區(qū)回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布范圍相對60 m 停采煤柱時(shí)有所降低，其中底板、頂板、巷幫塑性區(qū)分布范圍分別約為1.8 m、1.6 m、1.2 m。當(dāng)停采煤柱寬度為90 m、120 m 時(shí)，采區(qū)回風(fēng)巷塑性區(qū)分布基本不受采面超前支承壓力影響，塑性區(qū)分布范圍基本一致，具體頂板、底板以及巷幫塑性區(qū)范圍分別為1.6 m、1.4 m、1.0 m。

通過數(shù)值模擬分析得知，當(dāng)停采煤柱寬度為60 m、80 m 時(shí)，采區(qū)巷道受采面超前支承壓力影響明顯，巷道圍巖穩(wěn)定性較差、控制難度高，難以滿足采區(qū)巷道長時(shí)間使用需要。煤柱寬度為120 m 時(shí)雖然可滿足采區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性控制需要，但是也存在煤炭資源浪費(fèi)問題。因此，建議將停采煤柱寬度設(shè)計(jì)為90 m。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

通過現(xiàn)場實(shí)測以及數(shù)值模擬綜合分析，決定將1301 工作面停采煤柱由原有的120 m 縮短至90 m，即采面回采推進(jìn)至1 470 m 時(shí)停止回采。為了掌握采區(qū)回風(fēng)巷圍巖變形情況，在回風(fēng)巷內(nèi)布置測點(diǎn)對采面末采區(qū)間巷道圍巖變形量進(jìn)行測定。現(xiàn)場測定發(fā)現(xiàn)，采面與采區(qū)回風(fēng)巷間距由150 m 縮小至90 m時(shí)，采區(qū)回風(fēng)巷圍巖變形量保持不變，頂板、巷幫最大變形量分別控制在3 mm、5 mm。現(xiàn)場應(yīng)用表明，將采面停采煤柱設(shè)計(jì)為90 m 可滿足采區(qū)巷道保護(hù)目的，同時(shí)可在一定程度上提升采面煤炭資源回采率。

4 結(jié)論

1301 工作面為礦井首采工作面，合理確定采面停采煤柱寬度可在一定程度上指導(dǎo)礦井后續(xù)生產(chǎn)。為此，采用現(xiàn)場實(shí)測法對采面回采引起的超前支承壓力影響范圍進(jìn)行測定，并結(jié)合數(shù)值模擬對不同停采煤柱寬度下的采區(qū)回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，現(xiàn)場實(shí)測以及數(shù)值模擬距表明采面超前支承壓力影響范圍為90 m，將停采煤柱寬度設(shè)計(jì)為90 m 可滿足采區(qū)巷道圍巖控制需要。現(xiàn)場應(yīng)用后，采區(qū)回風(fēng)巷圍巖變形較小，采面回采不會(huì)給采區(qū)巷道圍巖控制帶來影響。