挖金灣煤礦小煤柱留設以及巷道支護設計研究

2022-07-08 02:56:38杜益

煤 2022年7期

杜益

(晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限公司，山西大同 037000)

留設煤柱是礦井生產中保護巷道的常用方法，留設煤柱寬度過大浪費煤炭資源，留設煤柱過小則無法保證巷道穩定。隨著煤層厚度的增加，留設煤柱造成的煤炭資源浪費大大增加，合理留設小煤柱或煤墻是解決煤炭資源浪費、提高煤炭資源回收率的重要方法，但小煤柱留設面臨巷道設計、支護以及維修等一系列難題[1-5]。本文針對挖金灣礦大采高綜采工作面小煤柱留設尺寸以及巷道支護問題，通過數值模擬、現場檢測等方法系統研究巷道支護方案，提出相應的對策，保證巷道圍巖長期穩定。

1 工程背景

山西挖金灣煤礦位于秦家山村東部，東部與8105工作面采空區相鄰，南部與盤區北回風巷、主運輸巷、輔助運輸巷相接，西部尚未開拓，北部與張家墳村保護煤柱相鄰。其中4號煤層是主采煤層，平均厚度3.52 m，該煤層的直接頂板及底板強度相對較低。工作面與相鄰8105工作面中間留有40～60 m的護巷煤柱，回采巷道一般沿煤層頂底板掘進，巷道斷面較大，最大斷面可達30 m2，給支護帶來困難。當前礦井生產存在以下技術難題。

1) 工作面巷道及圍巖嚴重破壞，煤壁片幫致使工作面出現網兜狀；底板鼓起須進行大量的返修工作；

2) 工作面推進時頂板垮落現象加劇，超前支護難以進行，頂板管理十分困難，安全隱患相對較大；

3) 護巷煤柱寬度大，煤炭資源浪費嚴重。

2 煤柱合理尺寸研究

2.1 煤柱應力分布規律

采掘活動改變了煤巖層的原始應力狀態，打破了應力平衡狀態，使三維應力場向深部轉移，易使護巷煤柱出現應力集中，導致煤柱出現“破裂-塑性-彈性”的明顯分區，煤柱上的鉛直應力與煤柱邊緣到彈性核的距離呈指數關系增長。根據極限平衡理論，支承壓力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間的距離為：

(1)

礦井實際生產數據研究表明：X0的區間范圍在3～20 m，通常情況下在5～12 m，應力降低區寬度2～7 m。煤柱應力集中狀態以及承載能力主要受采高、煤柱寬度以及埋深等因素影響，影響應力分布狀態主要有3種。當B>2L時，煤柱兩側應力出現峰值，中心應力則分布均勻，且為原巖應力γH，煤柱邊緣應力集中，煤柱從邊緣到中央，區域分布一般為破裂區、塑性區、彈性區、原巖應力區[7]；當L

2.2 支承壓力分布規律

護巷煤柱的應力分布狀態與強度直接影響工作面區段巷道護巷煤柱的尺寸設計與支護工藝方法的選擇。為掌握護巷煤柱支承壓力的分布規律，設計了現場實測方案，于8107運輸巷與8105回風巷之間區段煤柱進行了側向支承壓力的現場測試，測試過程及結論如下。

采用KSE—Ⅲ型鋼弦壓力記錄儀及其采集儀，觀測8107工作面推進過程中側向支承壓力的分布特點，側向支承壓力的實測區域位于8107運輸巷與8105回風巷之間的區段煤柱，應力計布置如圖1所示。

圖1 支承壓力測區布置(mm)

煤柱應力演化規律，采動對護巷煤柱的應力分布影響巨大，在實測過程中采動影響距離達到76.2 m，應力集中系數最大達到1.9。護巷煤柱應力分布特征為“馬鞍型”，應力峰值位于8105巷道22.1 m處，峰值應力為17.7 MPa，8107巷道側的應力峰值為17.1 MPa，位于巷幫內12 m處，窄煤柱護巷煤柱尺寸范圍應在5.6～7 m。

2.3 小煤柱合理尺寸的數值模擬

根據山西挖金灣煤礦4號煤層綜采工作面地質概況，利用FLAC3D數值模擬軟件，數值結構取300 m×200 m×100 m(長×寬×高)的準三維模型，模型共計57 160個計算單元，82 400個單元節點。通過邊界條件控制位移變形，模型底部和側面限制水平與垂直方向的位移，在上部添加等自重的垂直應力。模擬按照煤柱留設尺寸分為5 m、10 m、20 m、30 m 4種情況，各條件下垂直應力分布云圖如圖2所示。

圖2 煤柱垂直應力分布云圖

護巷煤柱寬度為30 m時，應力分布呈“馬鞍形”狀態，側向支承壓力峰值在相鄰巷道幫部8.6～10.1 m范圍內；當護巷煤柱為20 m時，側向支承壓力峰值在相鄰巷道幫部8.2～12.1 m范圍內；當護巷煤柱寬度為10 m和5 m時，應力疊加導致載荷集中系數較大，10 m寬煤柱的彈性核X0為3.76 m，5 m寬煤柱的彈性核X0為1.78 m。

當煤柱寬度為5 m時，煤柱基本處于全破碎狀態，承載能力大幅下降，彈性核消失，使護巷煤柱承載的應力逐漸向兩側煤體深部轉移。根據上述理論計算、數值模擬和現場測試的數據，提出了設計礦井護巷煤柱寬度為6 m，小煤柱護巷支護效果模擬如下。

工作面兩巷掘進支護后的位移變化如圖3(a)所示，直接頂位移變化較大，巷道周邊巖體的位移變化總體較小；圖3(b)為工作面開采完成后的圍巖位移云圖，工作面區段巷道斷面變形十分嚴重，巷道斷面壓縮20%的條件下，6 m寬的小煤柱側的巷道穩定性較好。

圖3 位移變化云圖

3 巷道支護設計

3.1 巷道參數設計

山西挖金灣煤礦4號煤層工作面護巷煤柱寬度為40～60 m，掘進時多采用底板掘進，巷道斷面相對較大，兩巷的超前支護多采用棚子支護，應用單體液壓支柱配合板梁、木垛支護，支護效率較差，巷道返修量大，返修頻率高。寬煤柱的護巷效果差，導致大量資源浪費。合理確定小煤柱留設尺寸，優化該條件下的巷道支護技術是高效安全生產的重要舉措?；谏鲜鲅芯拷Y果，設計在8107、8105兩巷之間留設寬度為6 m的小煤墻，其設計斷面尺寸為4.4 m×3.2 m(寬×高)。

3.2 現場實驗監測

巷道頂底板移近量測試結果表明，掘巷過程中巷道的頂板變形量多小于10 mm，工作面向前推進時，兩幫及頂底板的位移量急劇增大?，F場監測點安置在距切眼80 m范圍的8107運輸巷道的頂底板位移變化曲線，如圖4(a)所示。在14測區1號測線位置下出現位移峰值，為450 mm。8105回風巷道8-9測區頂底板位移曲線如圖4(b)所示，位移量不大，均小于160 mm。隨著先前推進，位移量有所增加，老頂來壓過后，頂底板位移量增加趨勢減小。