綜放工作面沿空側(cè)巷道煤柱寬度優(yōu)化

馬華杰

(山西晉城煤業(yè)集團 圣坡底煤業(yè)， 山西 晉城 048000)

小煤柱沿空掘巷能夠提高煤炭資源采出率，進而提高采區(qū)開采的經(jīng)濟效益。但當煤柱寬度留設(shè)不當時，往往會造成回采期間礦壓顯現(xiàn)嚴重等問題。本文在梅星、劉暢、李憲偉等[1-3]的研究基礎(chǔ)上，提出了基于覆巖側(cè)方位斷裂線位置，確定小煤柱寬度的新思路，并針對沿空側(cè)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境提出了非對稱支護方案。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)概況

山西晉城煤業(yè)集團某礦井田東西走向長為21.8 km，南北傾向?qū)挒?.2 km，井田內(nèi)煤層地質(zhì)儲量為1 285.872 Mt，可采儲量為523.656 Mt. 礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為6.00 Mt/a，預(yù)計總服務(wù)年限為87.3 年。井田內(nèi)北翼二采區(qū)開采期間，主采2#煤層厚度為4.2～8.5 m，均厚6.35 m，傾角為+5°～+13°，平均傾角為9°，屬于近水平煤層開采條件。采區(qū)內(nèi)工作面采用綜采放頂煤開采工藝，采高為3.5 m，采放比接近1∶1. 北翼二采區(qū)內(nèi)首采工作面為N2101工作面，其接續(xù)工作面為鄰近的N2102工作面，兩鄰近工作面之間留設(shè)有20 m寬的屈服煤柱。關(guān)于北翼二采區(qū)內(nèi)各工作面的相互位置關(guān)系見圖1.

圖1 北翼二采區(qū)內(nèi)工作面平面布置圖

1.2 礦壓顯現(xiàn)概況

N2101首采工作面回采期間造成的劇烈采動擾動影響以及煤柱寬度留設(shè)的不合理、支護方式的不科學(xué)等因素，導(dǎo)致鄰近的N2102回風平巷礦壓顯現(xiàn)明顯。

圖2 N2102回風平巷現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況圖

N2102回風平巷現(xiàn)場破壞情況見圖2.由圖2a)可知，回風平巷出現(xiàn)了頂板局部嚴重冒頂，最大冒頂高度達5.7 m，冒頂區(qū)域內(nèi)頂板錨索被拉斷；頂板內(nèi)靠近屈服煤柱側(cè)出現(xiàn)了頂煤被水平擠壓破碎嚴重的現(xiàn)象，導(dǎo)致錨桿支護失效，需要返修重新補打錨桿，見圖2b)；屈服煤柱側(cè)煤幫內(nèi)鼓變形嚴重，幫部煤體被嚴重擠出，對巷道的維護造成了困難，見圖2c)；局部巷道段甚至出現(xiàn)了底板嚴重底鼓的現(xiàn)象，使得原本水泥硬化處理過的路面出現(xiàn)鼓起開裂情況，見圖2d).

2 覆巖側(cè)方位斷裂線位置理論分析

2.1 現(xiàn)場試驗方法

在屈服煤柱寬度為20 m的條件下，采用YS(B)型礦用電子鉆孔窺視儀對巷道頂板覆巖側(cè)方位斷裂線位置進行現(xiàn)場勘測，關(guān)于鉆孔窺視儀的勘測思路和方法見圖3.

圖3 鉆孔窺視試驗技術(shù)路線圖

現(xiàn)場選取圖1中所示的1#、2#和3#三個試驗地點進行打孔勘測，3個試驗地點之間的相互間距為50 m. 針對每一個試驗地點，采取對頂板施工一排8個呈扇形布置的高位鉆孔，并采用YS(B)型礦用電子鉆孔窺視儀對施工的高位鉆孔內(nèi)部進行勘測，綜合3個試驗地點的勘測結(jié)果匯總情況，對覆巖側(cè)方位斷裂線位置進行確定。

2.2 窺視結(jié)果分析

通過對3個試驗地點的勘測結(jié)果匯總，描繪出覆巖側(cè)方位斷裂線位置的幾何分布規(guī)律，見圖4，5.

由圖4可知，通過鉆孔窺視儀對每一個試驗地點內(nèi)的每一個高位鉆孔進行勘測，并根據(jù)較小裂隙、破碎帶及較大垂直裂隙的分類標準對每一個鉆孔進行符號標注，最終將呈破碎帶及較大垂直裂隙分布比較密集的符號進行連線，得到了覆巖側(cè)方位斷裂線的幾何分布形態(tài)。根據(jù)7#高位鉆孔長度、方位角以及其與N2102回風平巷煤柱幫的相對位置關(guān)系，通過幾何三角函數(shù)計算，可以得到覆巖側(cè)方位斷裂線的相對位置關(guān)系為距離煤柱幫水平距離為5.1～5.8 m，見圖5. 這表明覆巖側(cè)方位破斷位置位于屈服煤柱上方靠近N2102回風平巷煤柱幫側(cè)。

2.3 覆巖側(cè)方位斷裂位置理論分析

由現(xiàn)場鉆孔窺視勘測結(jié)果可知，覆巖側(cè)方位破斷位置在煤柱體上方，且靠近N2102回風平巷煤柱幫側(cè)，其斷裂結(jié)構(gòu)形式見圖6a). 這種破斷結(jié)構(gòu)形式下，覆巖巖塊B回轉(zhuǎn)失穩(wěn)將會產(chǎn)生較高的水平擠壓力作用，在這一水平擠壓力的作用下，N2102回風平巷頂板較為破碎，支護體結(jié)構(gòu)無法發(fā)揮出其應(yīng)有的作用。受鄰近N2101工作面回采擾動影響，發(fā)生冒頂?shù)目赡苄暂^大?；趶椝苄詷O限平衡理論，可以計算出覆巖側(cè)方位斷裂位置距離N2101采空區(qū)煤壁的距離，計算公式如下[4]：

(1)

式中：

圖4 鉆孔窺視素描圖

圖5 斷裂線幾何關(guān)系圖

x0—覆巖側(cè)方位斷裂線位置與采空區(qū)煤壁的水平距離，m；

C—煤體黏聚力，MPa，取2.0；

P—煤柱側(cè)支護阻力，MPa，取0.75；

庭審中，面對趙某的索賠要求，馬某聲稱自己并不是狗的主人，故不應(yīng)承擔賠償責任，但其未能提供聲稱所送之人的相關(guān)資料。那么誰來賠償趙某被咬傷的損失呢？

φ—煤體內(nèi)摩擦角，(°)，取37；

m—煤層開采高度，m，取6.35；

λ—側(cè)壓系數(shù)，取1.4；

K—最大應(yīng)力集中系數(shù)，取2.1；

γ—覆巖平均容重，kN/m3，取25；

H—N2101工作面平均埋深，m，取465.

計算求解可知，x0=14.7 m. 根據(jù)理論計算的x0值可知，覆巖側(cè)方位斷裂線位置距離N2102回風平巷煤柱幫水平距離為5.3 m，這一理論計算結(jié)果與上述現(xiàn)場鉆孔窺視結(jié)果相符合，進一步驗證了覆巖側(cè)方位斷裂線的具體破斷位置。

圖6 N2012回風平巷覆巖斷裂結(jié)構(gòu)形式圖

由圖6b)可知，如果能使得覆巖側(cè)方位斷裂線位置位于實體煤上方，將會大幅度減小覆巖中巖塊B回轉(zhuǎn)失穩(wěn)對于巷道圍巖的影響，且能夠?qū)r塊B的支承應(yīng)力向?qū)嶓w煤深部轉(zhuǎn)移，起到對巷道的保護效果。綜合考慮理論計算x0值為14.7 m，N2102回風平巷尺寸為寬5.0 m×高3.5 m. 因此，留設(shè)煤柱寬度B≤14.7-5=9.7 m時，覆巖側(cè)方位斷裂線位置能夠處于N2102回風平巷實體煤側(cè)上方，結(jié)合煤炭資源開采經(jīng)濟效益最大化的思路，在此考慮留設(shè)5 m寬的小煤柱作為后續(xù)N2103工作面沿空側(cè)的護巷煤柱。

3 覆巖側(cè)方位斷裂線位置模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

基于井田內(nèi)北翼二采區(qū)工程地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維模型，所建模型的尺寸為長270 m×高90.4 m×寬1 m，模型內(nèi)巷道尺寸為寬5.0 m×高3.5 m. 三維模型四周采用水平方向位移約束，底面采用水平和垂直方向位移固定約束，模型上表面施加等效載荷q=10.5 MPa. 巷道圍巖支護結(jié)構(gòu)具體參數(shù)以及模型具體情況見圖7.

圖7 FLAC3D三維數(shù)值模型圖

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立摩爾庫倫本構(gòu)模型[5-6]，模型中煤巖層物理力學(xué)參數(shù)賦值情況見表1.

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于圖7所示FLAC3D數(shù)值模型，通過改變護巷煤柱寬度(5 m、8 m、11 m、20 m)進行模型運算，關(guān)于應(yīng)力-塑性區(qū)分布情況見圖8.

由圖8a)可知，在煤柱寬度為5 m的情況下，煤

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

柱體處于完全屈服塑性狀態(tài)，煤柱體基本不承載覆巖關(guān)鍵塊B的重力載荷，煤柱體內(nèi)峰值應(yīng)力僅為5.99 MPa，而實體煤側(cè)峰值應(yīng)力高達23.38 MPa，說明覆巖關(guān)鍵塊B的重力主要由實體煤側(cè)承載，煤柱體穩(wěn)定性較好。由圖8b)可知,在煤柱寬度為8 m的情況下，煤柱體承載能力開始增大，煤柱體內(nèi)峰值應(yīng)力增大至11.73 MPa，相應(yīng)的實體煤側(cè)峰值應(yīng)力開始下降為22.85 MPa. 由圖8c)可知,隨著煤柱體寬度的進一步增大至11 m，由于此時覆巖側(cè)方位斷裂線位置位于煤柱體上方，可見煤柱體的承載能力急劇增大至19.44 MPa，而實體煤側(cè)承載峰值應(yīng)力進一步降低為20.73 MPa. 此時巷道兩幫承載峰值載荷相差不大，煤柱體內(nèi)應(yīng)力值較高，對于煤柱體的穩(wěn)定性影響較大。由圖8d)可知，隨著煤柱體寬度的進一步增加至20 m，煤柱體為覆巖關(guān)鍵塊B的主要承載體，且煤柱體內(nèi)應(yīng)力分布曲線呈雙峰值分布規(guī)律，在靠近巷道煤柱幫側(cè)存在大小為24.97 MPa的峰值應(yīng)力，反觀實體煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值下降至16.76 MPa. 此時煤柱內(nèi)峰值應(yīng)力距離煤柱幫的距離大約為6 m，這與前面理論計算與現(xiàn)場鉆孔窺視結(jié)果吻合性較高，說明了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

綜合不同護巷煤柱寬度下的模擬結(jié)果可知，在留設(shè)寬度為5 m的護巷煤柱條件下，煤柱體內(nèi)應(yīng)力環(huán)境較好，覆巖關(guān)鍵塊B的重力主要由實體煤側(cè)承載。此時接續(xù)工作面沿空側(cè)巷道不易受到鄰近工作面回采擾動影響而破壞，并且能夠提高煤炭資源的回收率，因此最終確定后續(xù)N2103工作面掘進期間，其與N2102工作面留設(shè)5 m寬的護巷保護煤柱。

4 N2102回風平巷支護優(yōu)化工業(yè)性試驗

由于N2102工作面已經(jīng)處于掘進末期，無法實現(xiàn)對于煤柱寬度的優(yōu)化調(diào)整，因此，對N2102回風平巷原有支護方案進行優(yōu)化補強。對于煤柱幫補打d17.8 mm×L6 300 mm的鋼絞線錨索，間排距為1 700 mm×2 000 mm. 頂板錨索改用d17.8 mm×L8 300 mm的鋼絞線錨索并增加至3根，且中部錨索布置位置偏離巷道中心線而靠近煤柱側(cè)，中部錨索和靠近煤柱側(cè)的錨索采用16#槽鋼連接。優(yōu)化補強后的支護方案及現(xiàn)場巷道圍巖控制效果見圖9.

圖8 不同煤柱寬度時應(yīng)力-塑性區(qū)分布圖

圖9 N2102回風平巷支護優(yōu)化及現(xiàn)場控制效果圖

5 結(jié) 論

1) 北翼二采區(qū)內(nèi)鄰近工作面之間留設(shè)20 m屈服煤柱時沿空側(cè)巷道圍巖控制效果不佳，出現(xiàn)冒頂、幫部內(nèi)擠、底鼓等礦壓顯現(xiàn)問題。

2) 鉆孔窺視勘測結(jié)果表明，覆巖側(cè)方位斷裂線位置為距離煤柱幫水平距離5.1～5.8 m，理論計算結(jié)果為5.3 m，表明覆巖側(cè)方位斷裂位置位于煤柱體上方。

3) 數(shù)值模擬分析了不同煤柱寬度下巷道圍巖的應(yīng)力-塑性區(qū)分布情況，得出留設(shè)5 m小煤柱能夠起到對覆巖關(guān)鍵塊B重力轉(zhuǎn)移的效果。此時沿空側(cè)巷道不易受鄰近工作面回采擾動影響而破壞，并且能夠提高煤炭資源的回收率。

4) 對于煤柱寬度無法優(yōu)化的N2102回風平巷，采取非對稱性的優(yōu)化補強支護，實現(xiàn)對巷道圍巖控制效果的提升。