厚煤層綜放面準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱的尺寸優(yōu)化研究

柏新宇

(潞安化工集團(tuán) 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主體地位，根據(jù)國(guó)土資源部統(tǒng)計(jì)，90%的煤炭資源埋深較大，需采用井工開(kāi)采，而基于我國(guó)煤炭的賦存特征，普遍采用長(zhǎng)臂式采煤工藝[1]，進(jìn)而不可避免會(huì)留設(shè)保護(hù)煤柱。開(kāi)采過(guò)程中巷道保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸過(guò)小，準(zhǔn)備巷道受超前應(yīng)力影響會(huì)出現(xiàn)底鼓、頂板冒落等現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性難以保證，而煤柱留設(shè)過(guò)大又容易導(dǎo)致資源浪費(fèi)[2-3]。保護(hù)煤柱合理留設(shè)的寬度設(shè)計(jì)主要依靠工程類(lèi)比法確定，為保證使用安全，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)依經(jīng)驗(yàn)一般會(huì)留設(shè)較寬的煤柱，這不僅會(huì)造成大量煤炭資源的浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響礦井的經(jīng)濟(jì)效益。為此我們需對(duì)綜放面停采線的位置確定進(jìn)行深入研究，在保證安全開(kāi)采的同時(shí)提高煤炭資源的采出率。

采礦工作者研究發(fā)現(xiàn)，工作面停采線位置的確定與煤層埋深、煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì)、工作面推進(jìn)長(zhǎng)度、超前支承壓力等因素有關(guān)[4]。劉長(zhǎng)友[5]等通過(guò)相似模擬試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，在周期來(lái)壓之后撤架有利于維護(hù)頂板穩(wěn)定性，并據(jù)此提出了合理的停采線位置；孫興忠等[6]以塔山礦綜放工作面為地質(zhì)背景，研究了大采高綜放工作面超前支承壓力分布特征并有效優(yōu)化了煤柱尺寸；崔玉江[7]通過(guò)液壓傳感器、聲發(fā)射法對(duì)綜放工作面超前支承壓力分布及影響范圍進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，并據(jù)此優(yōu)化了煤柱尺寸。綜上，大多數(shù)學(xué)者對(duì)于工作面停采線位置確定的主要依據(jù)來(lái)源于開(kāi)采動(dòng)壓所產(chǎn)生的超前支承壓力影響范圍并據(jù)此提出合理的煤柱寬度，對(duì)于切頂卸壓后巷道的保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸研究卻相對(duì)較少。

我國(guó)針對(duì)厚硬頂板的切頂問(wèn)題主要采用水力壓裂法和爆破法[8-9]。其中爆破法由于現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)便、切頂效果明顯、對(duì)工作面產(chǎn)生的影響較小等優(yōu)勢(shì)在我國(guó)煤礦生產(chǎn)中具有較廣的適用范圍。但爆破會(huì)污染井下空氣，影響勞動(dòng)工作者的身心健康，且爆破效果不易控制，在高瓦斯礦井中應(yīng)用流程較為復(fù)雜。相對(duì)于爆破，利用高壓水?dāng)U大巖層裂隙發(fā)育，使頂板在原巖應(yīng)力作用下沿人為裂隙自然垮落的水力壓裂切頂方法則可以有效適用于礦井高瓦斯環(huán)境。該技術(shù)不僅能夠有效弱化巖層強(qiáng)度、降低頂板沖擊傾向性，還可以起到預(yù)先釋放煤層瓦斯、抑制煤層自燃的作用。

本文結(jié)合常村煤礦工程地質(zhì)概況，在采礦科研工作者的研究基礎(chǔ)上，對(duì)綜放工作面末切頂卸壓情況下停采線位置進(jìn)行研究，對(duì)準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱的留設(shè)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在保證安全高效開(kāi)采的同時(shí)極大提高煤炭資源的回采率，可為同類(lèi)工程提供理論依據(jù)及有益參考。

1 工程概況

常村煤礦主要開(kāi)采3號(hào)煤層，為保證準(zhǔn)備巷道在其服務(wù)周期內(nèi)圍巖穩(wěn)定，準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱留設(shè)寬度為70～80 m.如圖1所示，如2106綜放面停采線位置距離470東翼1號(hào)回風(fēng)巷的保護(hù)煤柱寬度約為70 m，2202綜放面停采線位置距離22采區(qū)2號(hào)回風(fēng)巷的保護(hù)煤柱寬度為80 m.

圖1 采掘工程平面圖(m)

2106工作面采用綜放開(kāi)采，自然垮落法管理頂板。如圖2所示，煤層厚度為4.0～7.84 m，均厚5.92 m，傾角為3～15°，平均傾角為9°，煤層平均埋深為430 m.煤層直接頂為2.8 m厚的泥巖，基本頂為6.6 m厚的中粒砂巖，底板為較薄的泥巖、細(xì)粒砂巖層。

圖2 綜合地質(zhì)柱狀圖

本文以常村煤礦2106綜放面為工程背景進(jìn)行研究，利用水力壓裂切頂技術(shù)消減采動(dòng)對(duì)準(zhǔn)備巷道的影響，優(yōu)化采停采線位置，縮小保護(hù)煤柱的寬度，提高煤炭資源的采出率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)保證礦井安全高效生產(chǎn)。

2 準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸優(yōu)化分析

煤炭資源回采后，原煤體區(qū)域出現(xiàn)大片自由空間，覆巖自由垮落，工作面末端覆巖在煤壁的支撐作用下，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。懸臂梁在回轉(zhuǎn)下沉過(guò)程中擠壓煤體，在煤體中形成超前應(yīng)力，超前應(yīng)力分布先增大后減小，隨著與工作面距離增大，超前應(yīng)力恢復(fù)至原巖應(yīng)力或接近原巖應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 回采后懸臂結(jié)構(gòu)示意

自工作面末端繼續(xù)向準(zhǔn)備巷道方向，煤體受超前應(yīng)力影響，可依次將工作面前方煤體劃分為破裂松散區(qū)(I)、塑性發(fā)育區(qū)(II)、彈性煤體區(qū)(III)、原巖應(yīng)力區(qū)(IV)4個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖4.I區(qū)位于工作面正前方，由于自由面應(yīng)力得到釋放，其應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，但由于自由面的存在，煤壁較為破碎；II區(qū)為應(yīng)力升高區(qū)，此處應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，煤體由于高應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性破壞；III區(qū)位于應(yīng)力升高區(qū)之后，應(yīng)力值逐漸下降，為應(yīng)力降低區(qū)，但仍然大于原巖應(yīng)力，在此范圍內(nèi)煤體主要發(fā)生彈性變形；IV區(qū)為原巖應(yīng)力區(qū)，此處煤體不受超前支承壓力影響。

圖4 力學(xué)模型圖

結(jié)合上述力學(xué)模型，令塑性區(qū)的水平應(yīng)力為σx，塑性區(qū)的垂直應(yīng)力為σz，煤層厚度設(shè)定為m，煤巖體分層面的摩擦系數(shù)為f，則巷道彈塑性區(qū)域的極限平衡方程如下[4,10]：

m(σx+dσx)=mσx-2σzfdx=0

(1)

通過(guò)求解平衡方程可得塑性區(qū)垂直應(yīng)力為：

(2)

式中：N0為煤幫的支撐能力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，°.

為滿足正常安全工作，煤壁的承載能力需滿足：

(3)

聯(lián)立公式(2)和公式(3)綜合可得塑性區(qū)垂直應(yīng)力表達(dá)式為：

(4)

根據(jù)超前支承壓力理論，超前應(yīng)力峰值可表示為K倍的上覆巖層的自重應(yīng)力，則令σz=KγH，可以得到綜放面前方超前支承壓力峰值所在位置到工作面煤壁的距離：

(5)

式中：x0為超前支承壓力峰值與工作面煤壁的距離，m；C為內(nèi)聚力，MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為工作面上覆巖層的容重平均值，一般取25 kN/m3；H為上覆巖層的厚度，m.

常村煤礦2106工作面平均煤層厚度5.92 m，工作面埋深H取430 m，煤體內(nèi)聚力取0.85 MPa，內(nèi)摩擦角為37°，應(yīng)力集中系數(shù)取3.根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算可得超前支承壓力峰值點(diǎn)到工作面煤壁距離x0=10.2 m.確定了x0以后，圖中彈性區(qū)的垂直應(yīng)力為：

(6)

x=x1+x0

(7)

(8)

根據(jù)公式(8)可得到該地質(zhì)條件下超前支承壓力彈性區(qū)范圍為56.2 m，根據(jù)超前支承壓力的四分區(qū)理論，結(jié)合破裂區(qū)、塑性區(qū)范圍可得到工作面超前支承壓力影響范圍約為66.4 m.在此情況下準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱的長(zhǎng)度應(yīng)大于66.4 m.

3 綜放面合理停采線模擬分析

結(jié)合常村煤礦2106工作面的煤層地質(zhì)情況，采用犀牛軟件建立數(shù)值模擬模型，導(dǎo)出Griddle有限差分FLAC3D軟件網(wǎng)格，建模過(guò)程中提前設(shè)立切縫，模擬切頂卸壓，模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬模型

模型尺寸為320 m×200 m×75 m，數(shù)值模型中各巖層、煤層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)定如表1所示。模擬煤巖體本構(gòu)模型設(shè)定為摩爾庫(kù)倫模型，在模型頂部施加9.75 MPa力以補(bǔ)償原巖應(yīng)力，并約束四周及底部邊界，工作面沿X軸布置，沿Y軸推進(jìn)，模型兩側(cè)留設(shè)25 m的煤柱，以消除邊界效應(yīng)的影響，提取停采線后的不同位置的應(yīng)力值，繪制曲線如圖6所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖6 超前應(yīng)力分布折線圖

工作面停采后，三向應(yīng)力中，豎向應(yīng)力變化最大，故此豎向應(yīng)力應(yīng)作為停采位置選擇的主要參考，如圖6所示，未切頂情況下，豎向應(yīng)力峰值為31.88 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.97，距離停采線11.0 m，距離停采線66.5 m處的應(yīng)力值為10.77 MPa，已恢復(fù)至接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值模擬與理論分析結(jié)果相一致，為進(jìn)一步研究不同準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱尺寸情況下巷道圍巖變形情況。

未切頂情況下，煤柱留設(shè)寬度為50 m時(shí)，準(zhǔn)備巷道受回采影響較大，巷道兩幫表現(xiàn)為非均勻破壞，巷道左幫受回采影響較大，變形量也較大，巷道左幫最大變形量為207 mm，巷道右?guī)妥畲笞冃瘟繛?4 mm，巷道底板鼓起量均值為120 mm，巷道底板中心線左側(cè)區(qū)域底鼓量較右側(cè)大；煤柱寬度增大至60 m時(shí)，左側(cè)變形量仍大于右側(cè)，且頂?shù)滓平咳暂^大；當(dāng)煤柱寬度增大至70 m時(shí)，巷道變形量明顯減小。未切頂時(shí)不同煤柱寬度準(zhǔn)巷道變形情況見(jiàn)圖7，切頂時(shí)不同煤柱寬度準(zhǔn)巷道變形情況見(jiàn)圖8，不同情況變形統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖9.

圖7 未切頂時(shí)不同煤柱寬度準(zhǔn)巷道變形情況

圖8 切頂時(shí)不同煤柱寬度準(zhǔn)巷道變形情況

圖9 不同情況變形統(tǒng)計(jì)

在未切頂情況下，煤柱自50 m增加至60 m，準(zhǔn)備巷道圍巖變形量雖有減小，但整體變化不大，而當(dāng)煤柱自60 m升至70 m時(shí)，巷道圍巖變形得以控制。而在切頂情況下，煤柱寬度為50 m時(shí)，準(zhǔn)備巷道受回采影響變形量較大，但煤柱寬度增大至60 m時(shí)，非均勻破壞得以明顯控制；煤柱寬度繼續(xù)增大70 m，巷道圍巖變形再次減小，但變化較小。故此未采取切頂卸壓技術(shù)措施時(shí)，準(zhǔn)備巷道煤柱寬度應(yīng)在70 m以上，而切頂卸壓后準(zhǔn)備巷道煤柱留設(shè)可設(shè)定為60 m.

4 綜放停采切頂應(yīng)用及礦壓實(shí)測(cè)

目前主要的切頂技術(shù)有爆破卸壓及水力壓裂兩種方式，對(duì)比兩種方式的施工特點(diǎn)及礦井的瓦斯含量，結(jié)合常村煤礦綜放工作面工程地質(zhì)條件，最終選定水力壓裂法對(duì)停采位置的工作面頂板進(jìn)行切頂卸壓。首先，根據(jù)切頂位置布置壓裂鉆孔并在鉆孔內(nèi)預(yù)設(shè)位置利用切槽鉆頭布置橫向切槽。布置完成后，通過(guò)鉆孔窺視儀檢查切槽質(zhì)量。接著布置注水鋼管以及封孔器。設(shè)備連接完成后，對(duì)封孔段進(jìn)行注水壓裂，對(duì)封孔器進(jìn)行手動(dòng)加壓，進(jìn)行橫向切槽，最終在停采線頂板切出卸壓縫，切頂后效果如圖10所示。

圖10 切頂卸壓效果圖

為驗(yàn)證理論分析及數(shù)值模擬的研究結(jié)果，在2106工作面停采線對(duì)應(yīng)區(qū)域的準(zhǔn)備巷道采用十字布點(diǎn)法布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)測(cè)站，監(jiān)測(cè)工作面停采后巷道圍巖破壞變形情況，監(jiān)測(cè)周期共計(jì)60 d，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線圖

在監(jiān)測(cè)的第10 d，工作面達(dá)到停采位置，停采后25 d左右準(zhǔn)備巷道圍巖變化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装遄畲笠平繛?41 mm，兩幫最大移近量為119 mm，與模擬結(jié)果一致，表明優(yōu)化準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱后采取切頂卸壓技術(shù)措施可有效對(duì)礦山壓力及巖層進(jìn)行控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以常村礦2106工作面實(shí)際概況為背景，采用多種研究手段相結(jié)合的方法，對(duì)綜放面末端進(jìn)行切頂卸壓以研究其合理停采位置，共得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)理論分析計(jì)算得出未切頂時(shí)停采線前超前應(yīng)力影響范圍為66.4 m，停采線前煤體受超前應(yīng)力影響可劃分為破裂松散區(qū)、塑性發(fā)育區(qū)、彈性煤體區(qū)3個(gè)區(qū)域，超前應(yīng)力影響范圍外為原巖應(yīng)力區(qū)，準(zhǔn)備巷道應(yīng)布置于原巖應(yīng)力區(qū)。

2) 通過(guò)對(duì)比不同煤柱尺寸下切頂與未切頂時(shí)準(zhǔn)備巷道圍巖塑性破壞及變形情況，得出在未切頂情況下，煤柱尺寸應(yīng)大于70 m，工作面切頂卸壓技術(shù)后準(zhǔn)備巷道保護(hù)煤柱尺寸可優(yōu)化至60 m.

3) 現(xiàn)場(chǎng)停采線布置于準(zhǔn)備巷道外60 m，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量較大，不易爆破切頂，確定采取水壓致裂對(duì)綜放面末端進(jìn)行切頂，切頂后對(duì)準(zhǔn)備巷道變形監(jiān)測(cè)，巷道整體變形量小，可保證在服務(wù)周期內(nèi)安全穩(wěn)定使用。