某煤礦3411工作面窄煤柱留設(shè)可行性分析

關(guān)玉虎

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司團(tuán)柏煤礦)

在工作面回采之前掘進(jìn)回采巷道，即下區(qū)段工作面回采巷道的沿空掘進(jìn)與上區(qū)段工作面的回采同時(shí)進(jìn)行，既可以在有效解決工作面接續(xù)緊張問題的同時(shí)避免孤島工作面的產(chǎn)生，又能使得煤炭資源的回收率得以有效提高，因此，該施工方法得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。但下區(qū)段巷道要經(jīng)過多次采用影響，區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度顯得尤為重要，相關(guān)研究表明[5-7]，煤柱寬度大于35 m時(shí)，對下區(qū)段巷道的影響較小，但煤炭資源損失較為嚴(yán)重，如何合理確定區(qū)段煤柱尺寸，最大限度降低巷道采動影響，同時(shí)減小煤炭資源損失，就顯得尤為重要[8-10]。某礦在結(jié)合上述研究成果及工作面生產(chǎn)條件的情況下，將3411工作面與3408工作面之間的煤柱寬度設(shè)定為10 m，本研究對巷道變形特征進(jìn)行分析，論證該煤柱留設(shè)方案的合理性。

1 工程概況

某煤礦3411工作面運(yùn)輸順槽位于3上煤層?xùn)|四采區(qū)-480 m水平，3上煤層平均采深為300 m，呈一單斜構(gòu)造，煤層傾角為0°～12.5°，3411工作面運(yùn)輸順槽沿3上煤層底板掘進(jìn)，總長為1 522 m。3411工作面位于東四采區(qū)南部，北部為3407工作面采空區(qū)，南部為3408生產(chǎn)工作面。3411運(yùn)巷在掘進(jìn)過程中將受到3408工作面回采動壓的影響。受到相鄰工作面回采后采空區(qū)上覆巖層劇烈活動的影響，在臨空側(cè)實(shí)體煤層一定范圍內(nèi)產(chǎn)生了不同程度的應(yīng)力集中區(qū)[1-3]。應(yīng)力集中區(qū)可分為應(yīng)力降低區(qū)(實(shí)體煤側(cè)10 m以內(nèi))、增高區(qū)(煤體內(nèi)11～35 m)和原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)沿空掘巷的設(shè)計(jì)原則，為優(yōu)化沿空巷道的應(yīng)力環(huán)境，盡可能提高煤炭資源的回收率，將保護(hù)煤柱寬度設(shè)計(jì)為10 m。

2 礦壓觀測方案

3411工作面運(yùn)輸巷礦壓觀測的測站布置如圖1所示。沿3411工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)方向，依次布置3個(gè)觀測面(編號為1#、2#、3#)，各觀測站相距30 m。在每個(gè)觀測站斷面的巷道頂板錨桿(索)和兩幫錨桿上各安裝1臺錨桿(索)測力計(jì)，觀測錨桿受力狀況，測力計(jì)(測點(diǎn))分布如圖2所示。

圖1 測站布置

圖2 巷道觀測斷面錨桿受力監(jiān)測點(diǎn)

位移測點(diǎn)采用“十字布點(diǎn)法”布置。在兩幫巷道高度中部位置以及巷道頂?shù)装逯胁吭O(shè)置基準(zhǔn)線[11-12]。用普通鋼卷尺、激光測距儀等測量工具對巷道的頂中、中底、東中、西中等距離進(jìn)行測量，并記錄數(shù)據(jù)。測量巷道兩幫及巷道頂?shù)装宓交鶞?zhǔn)線的距離，巷道設(shè)計(jì)距離與測量距離的差值即為巷道變形量。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 錨桿(索)受力分析

3.1.1 實(shí)體煤側(cè)錨桿

實(shí)體煤側(cè)錨桿應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化曲線見圖3。由圖3可知：沿空巷道在與工作面相距約50 m 時(shí)，錨桿應(yīng)力開始增大，當(dāng)沿空巷道掘進(jìn)至工作面后方100 m后，錨桿應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定。其中1#斷面錨桿最大應(yīng)力為70.5 MPa，恰好處于斷層附近，構(gòu)造應(yīng)力大；2#斷面錨桿最大應(yīng)力為39.4 MPa；3#斷面錨桿最大應(yīng)力為35.3 MPa，3#斷面錨桿的應(yīng)力最大值位于沿空巷道掘進(jìn)至工作面后方25 m左右?？梢?，沿空巷道實(shí)體煤幫中上部錨桿受力較大，說明沿空巷道實(shí)體幫中上部圍巖應(yīng)力集中程度較高。

圖3 實(shí)體側(cè)錨桿應(yīng)力變化曲線

3.1.2 頂板錨桿(索)

巷道頂板錨桿(索)應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線見圖4。分析圖4可知：在距離工作面前方25 m到距工作面后方50 m左右，錨桿應(yīng)力變化劇烈，而后逐漸趨于穩(wěn)定。其中，1#斷面錨桿最大應(yīng)力為46.3 MPa，錨索最大應(yīng)力為58.4 MPa；2#斷面錨桿最大應(yīng)力為51.2 MPa，錨索最大應(yīng)力為64.6 MPa；3#斷面錨桿最大應(yīng)力為41.2 MPa，錨索最大應(yīng)力為65.8 MPa?？傮w上，靠近沿空側(cè)的頂板錨桿(索)受力較大，說明巷道頂板圍巖在沿空側(cè)應(yīng)力集中程度較高。

圖4 頂板錨桿(索)應(yīng)力變化曲線

3.1.3 沿空側(cè)錨桿

巷道沿空幫錨桿應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化曲線見圖5。由圖5可知：在距工作面前方50 m左右時(shí)，錨桿應(yīng)力開始增大，距工作面后方100 m后有略微減小趨勢。其中，1#斷面錨桿最大應(yīng)力為51.5 MPa，2#斷面錨桿最大應(yīng)力為63.4 MPa，3#斷面錨桿最大應(yīng)力為68.7 MPa。巷道沿空幫中下部錨桿受力較大，說明巷道沿空側(cè)中下部圍巖應(yīng)力集中程度較高。

3.2 巷道位移量分析

當(dāng)3408工作面未采過1#斷面時(shí)，巷道變形量較小，當(dāng)該工作面采過該斷面后，巷道變形量隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈線性增長，在回采面通過該斷面8～30 m時(shí)，巷道變形量較大，當(dāng)該斷面距3804工作面大于100 m后，巷道變形趨于穩(wěn)定。在工作面回采經(jīng)過1#斷面時(shí)，工作面上覆頂板活動劇烈產(chǎn)生持續(xù)下沉現(xiàn)象，在此階段巷道圍巖變形量較大，受斷層影響較大。巷道沿空幫變形量較大，且巷幫下部>上部>中部，巷幫中部最大變形量為265.2 mm；巷道實(shí)體側(cè)巷幫變形量相對較小，且巷幫上部>下部>中部，最大變形量為92.4 mm，巷道頂板下沉量較大，最大變形量為274.2 mm，巷道底鼓量較小，且隨著工作面的推進(jìn)變化較小。

圖5 沿空側(cè)錨桿應(yīng)力變化曲線

當(dāng)3408工作面未采過2#斷面時(shí)，巷道變形量較小，當(dāng)3408工作面采過該斷面時(shí)，巷道變形量隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈線性增長，當(dāng)該斷面距離工作面超過92 m后，巷道變形趨于穩(wěn)定。2#測站頂板最大位移量為100 mm，位于靠近空幫的一側(cè)，頂板最大下降速率為10 mm/d。巷道沿空幫變形量較大，在巷道沿空幫頂、中、底部變形相差較大，且巷幫下部>上部>中部，最大變形量為305.2 mm，最大變形速率為10 mm/d；巷道實(shí)體側(cè)巷幫變形量相對較小，且巷幫上部>下部>中部，最大變形量為94.5 mm；巷道頂板下沉量較大，最大變形量為285.3 mm；巷道底鼓量較小，且隨著工作面的推進(jìn)變化較小。

當(dāng)3408工作面未采過3#斷面時(shí)，巷道變形量較小，當(dāng)3408工作面采過該斷面時(shí)，巷道變形量隨著工作面推進(jìn)距離的增加呈線性增長，兩幫的位移上、中、下相差較小，最大值為425 mm，發(fā)生于巷道下部，最大變形速率為15 mm/d，當(dāng)該工作面推采面過斷面10～30 m時(shí)，巷道變形量較大，當(dāng)該斷面距工作面87 m后，巷道變形趨于穩(wěn)定。沿空側(cè)巷幫變形量較大，且巷幫下部>上部>中部，最大變形量為332.4 mm；巷道實(shí)體側(cè)巷幫變形量相對較小，且巷幫上部>中部>下部，最大變形量為92.4 mm；巷道頂板下沉量較大，最大變形量為310.2 mm；巷道底鼓量較小，且隨著工作面的推進(jìn)變化較小。

綜上分析，可知3411運(yùn)輸順槽頂板巖層在3408工作面回采期間并未出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，也未出現(xiàn)明顯的持續(xù)變形發(fā)展趨勢。通過進(jìn)行必要的支護(hù)后，護(hù)巷窄煤柱未出現(xiàn)整體片幫和頂板垮塌現(xiàn)象，3411工作面運(yùn)輸順槽的圍巖變形控制基本達(dá)到了預(yù)期效果。可見，隨著工作面的推進(jìn)，巷道變形量逐漸趨于穩(wěn)定，變形量基本可以滿足安全生產(chǎn)要求，說明在相向采掘過程中，巷道表面位移得到了有效控制，在進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)條件下，本研究設(shè)計(jì)的10 m 寬煤柱尺寸是行之有效的。

4 結(jié) 語

為最大限度降低巷道采動影響，減小煤炭資源損失，某煤礦3411工作面與3408工作面之間留設(shè)了10 m寬的窄煤柱。通過進(jìn)行巷道礦壓觀測，認(rèn)為該煤柱留設(shè)尺寸較合理。