特厚煤層綜放工作面防沖煤柱寬度優(yōu)化

張拴才，孫振于，張玉亮，蘇仁元，鞏思園

(1.華能慶陽煤電有限責(zé)任公司 核桃峪煤礦，甘肅 慶陽 745000；2.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221000；3.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 華亭煤礦，甘肅 華亭 744100；4.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

留設(shè)煤柱保護(hù)采準(zhǔn)巷道是我國煤礦采取的主要護(hù)巷方法[1]。在沖擊地壓礦井中，煤柱寬度能直接影響礦井沖擊地壓顯現(xiàn)。合理確定煤柱寬度，一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點[2]。近年來，眾多學(xué)者及技術(shù)人員對區(qū)段煤柱寬度的確定及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究[3-5]。但關(guān)于區(qū)段煤柱寬度對沖擊地壓的影響方面的研究仍然較少。武泉林等[6]利用數(shù)值模擬研究了預(yù)留70m防沖煤柱對高位巨厚巖層下開采動力災(zāi)害的防治效果，結(jié)果表明留設(shè)70m防沖煤柱時，上覆巨厚關(guān)鍵層可保持穩(wěn)定，避免了巨厚關(guān)鍵層大范圍破斷運移對工作面造成沖擊；謝廣祥等[7，8]通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測等方法，得出了綜放面保護(hù)煤柱傾向支承壓力的分布規(guī)律；易恩兵等[9]利用FLAC4.0數(shù)值模擬軟件模擬了不同寬度煤柱條件下，工作面圍巖的應(yīng)力分布變化規(guī)律，得出某礦孤島工作面合理的煤柱寬度為5m；李佃平等[10]基于煤柱彈塑性模型，提出了兩種防沖煤柱設(shè)計方法，從防治沖擊地壓角度利用力學(xué)計算方法分別計算屈服煤柱及承載煤柱寬度，得出防沖煤柱合理寬度的理論計算方法。

對華亭煤礦250102工作面沖擊地壓情況進(jìn)行分析，對適用于華亭煤礦2501采區(qū)工作面合理煤柱寬度進(jìn)行模擬計算，并將煤柱寬度優(yōu)化后的250104工作面與250102工作面礦震活動及沖擊地壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行對比，實踐結(jié)果為華亭煤礦2501采區(qū)后續(xù)工作面煤柱寬度設(shè)計及其他地質(zhì)條件類似礦井的沖擊地壓防治提供參考依據(jù)。

1 工程概況

華亭煤礦250102工作面為華亭煤礦二水平2501采區(qū)的第二個工作面。工作面走向長度約2000m，傾向?qū)挾?00m，開采深度約720m，工作面所采5#煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性(動態(tài)破壞時間為2640ms、彈性能指數(shù)為10.11、沖擊能指數(shù)為6.67、單軸抗壓強(qiáng)度為13.72MPa)，煤層具有自燃傾向性，瓦斯含量較低，鑒定為低瓦斯，煤層傾角5°～8°，平均厚度34m。煤層偽頂為砂質(zhì)泥巖，老頂以粉砂巖為主，次為各種粒徑的砂巖，夾有泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，偽底為砂質(zhì)泥巖，老底巖性主要為砂巖，次為粉砂巖，煤層及頂?shù)装逯鶢钊鐖D1所示。工作面東側(cè)即運輸巷側(cè)與250101工作面采空區(qū)之間留有20m區(qū)段煤柱，工作面北側(cè)和西側(cè)為實體煤，南側(cè)為采區(qū)大巷，工作面布置如圖2所示。2501采區(qū)采用走向長壁傾斜分層綜采低位放頂煤采煤法，250102工作面為首分層工作面，平均分層厚度為12m，其中采煤機(jī)采高為3m，放頂煤高度9m，采放比為1∶3。

圖1 5#煤層及頂?shù)装逯鶢?/p>

圖2 2501采區(qū)工作面布置

2 工作面沖擊地壓顯現(xiàn)特征分析

2.1 寬煤柱下工作面礦震監(jiān)測分析

250102工作面從240m回采至520m礦震能量頻次統(tǒng)計見表1，震源分布如圖3所示。通過震源投影發(fā)現(xiàn)，礦震能量在104～105J范圍時，震源分布開始具有明顯的集中性，主要集中在250102工作面20m煤柱側(cè)。礦震能量達(dá)到105J以上，礦震震源幾乎全部集中在20m煤柱的周圍。以大震動的分布情況推斷，20m煤柱區(qū)域存在著明顯高于其他區(qū)域的應(yīng)力集中，所以20m煤柱區(qū)域相比其他區(qū)域具有更高的沖擊危險性。

表1 250102工作面震源能量頻次統(tǒng)計表

圖3 250102工作面104 J能量以上震源分布

2.2 寬煤柱沖擊地壓顯現(xiàn)特征分析

250102工作面回采過程中，對回采影響較大的沖擊地壓現(xiàn)象共發(fā)生了39次，其中有34次發(fā)生在20m煤柱側(cè)，這與大能量礦震震源分布特征較為吻合，部分沖擊地壓顯現(xiàn)記錄見表2。通過總結(jié)250102工作面開采以來沖擊地壓的顯現(xiàn)特征可以發(fā)現(xiàn)：沖擊地壓多發(fā)生在20m煤柱側(cè)的工作面運輸巷內(nèi)，且巷道變形嚴(yán)重，又以底鼓明顯大于頂板和兩幫的變形，底鼓量100～1800mm，造成支護(hù)設(shè)施、機(jī)電設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致2人死亡，多人受傷，由此可知250102工作面沖擊地壓現(xiàn)象具有明顯的煤柱型沖擊地壓特征。

表2 250102工作面部分沖擊地壓顯現(xiàn)記錄

綜上所述，在250102工作面的目前開采條件下，20m煤柱內(nèi)存在著極易誘發(fā)沖擊地壓的應(yīng)力條件，需對2501采區(qū)后續(xù)工作面區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，避免此類情況的發(fā)生。

3 煤柱合理寬度確定

我國部分煤礦區(qū)段煤柱的留設(shè)依舊依靠經(jīng)驗，缺乏科學(xué)依據(jù)，不僅造成了煤炭資源的浪費而且在沖擊地壓礦井中更直接導(dǎo)致了沖擊地壓事故的頻發(fā)，使巷道難以維護(hù)甚至造成機(jī)電設(shè)備損壞，人員傷亡。所以合理的煤柱寬度設(shè)計不僅要能保證巷道內(nèi)支護(hù)質(zhì)量和人員設(shè)備安全，在具有沖擊危險的礦井，還要能夠降低工作面沖擊危險程度[11]。研究表明：作用在煤柱高沖擊危險區(qū)煤巖體上的強(qiáng)剪切力使煤柱失穩(wěn)破壞誘發(fā)沖擊地壓，煤柱中的高應(yīng)力集中區(qū)的存在是誘發(fā)煤柱沖擊地壓的根本原因。因此，治理煤柱型沖擊地壓的方法應(yīng)該著眼于消除煤柱中的高應(yīng)力集中區(qū)[12]。從防沖的角度考慮，區(qū)段煤柱越窄對防沖越有利，因為窄煤柱中的煤體幾乎全部被“壓酥”，其內(nèi)部不存在彈性核，也就消除了應(yīng)力集中區(qū)。但煤柱寬度不能隨意留設(shè)，煤柱太小易坍塌破壞，起不到保護(hù)巷道的作用，煤柱太寬，煤體中會出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)，增大沖擊危險。特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱寬度確定方法主要有現(xiàn)場實測法、數(shù)值模擬法及理論計算法等[13-15]?，F(xiàn)場實測主要通過現(xiàn)場觀測來掌握煤柱和巷道狀態(tài)，難以同時實現(xiàn)不同煤柱寬度條件下的實測，具有明顯的局限性；數(shù)值模擬法可同時模擬各種生產(chǎn)、地質(zhì)條件下不同煤柱寬度的受力和變形情況，雖計算機(jī)模擬也對部分復(fù)雜條件進(jìn)行了簡化，但相比于其他方法具有一定的優(yōu)越性；理論計算法是通過建立、求解計算模型來確定煤柱寬度，但計算模型往往被大量簡化，忽略了很多因素，其可靠性無法保證。所以主要采用數(shù)值模擬的方法來確定2501采區(qū)工作面的合理煤柱寬度，并應(yīng)用理論計算對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步確定。

3.1 數(shù)值模擬確定合理煤柱寬度

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件根據(jù)2501采區(qū)的實際開采條件及實驗室煤巖樣的物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，模擬在250102工作面目前的地質(zhì)及開采技術(shù)條件下，不同煤柱寬度條件下工作面在回采過程中工作面超前50m位置的煤柱與工作面內(nèi)垂直應(yīng)力分布狀態(tài)。圖4為工作面不同煤柱寬度條件下超前50m位置垂直應(yīng)力在ZZ方向的切片、圖5為各切片巷道中部沿X軸方向的垂直應(yīng)力分布曲線，具體分析結(jié)果如下。

圖4 工作面超前50m位置垂直應(yīng)力分布特征

圖5 工作面超前50m位置垂直應(yīng)力分布曲線

由圖4、圖5分析可知：

1)當(dāng)煤柱寬度為5m時，煤柱中的垂直應(yīng)力集中系數(shù)最低，為1.14，且圖4(a)中工作面煤體高應(yīng)力區(qū)域范圍明顯比圖4(c)～(h)大，由此可推斷煤柱已完全進(jìn)入屈服階段，當(dāng)煤柱進(jìn)入屈服階段后會將多余載荷傳遞到工作面實體煤中，所以此時沖擊危險較低。

2)當(dāng)煤柱寬度達(dá)到15m時，煤柱中就開始產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為3.02，而達(dá)到20m時，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到最高為3.40，煤柱中高應(yīng)力區(qū)域范圍也較大且距離巷道較近，此時沖擊危險程度達(dá)到最大，這也再次揭示了250102工作面20m煤柱存在危險的原因。

3)當(dāng)煤柱寬度達(dá)到25m以上時，煤柱中的垂直應(yīng)力峰值反而在不斷降低且應(yīng)力曲線上出現(xiàn)了兩個峰值，由此可判斷此時煤柱由小煤柱時的屈服階段開始進(jìn)入到了大煤柱的承載階段，且煤柱中靠巷道的高應(yīng)力區(qū)域范圍明顯小于靠采空區(qū)側(cè)的，說明隨著煤柱寬度不斷加大，煤柱中的垂直應(yīng)力峰值區(qū)域在不斷向采空區(qū)側(cè)煤體中轉(zhuǎn)移，沖擊危險程度在不斷降低。

4)當(dāng)煤柱寬度為25～40m時，曲線上的最大應(yīng)力集中系數(shù)分別為3.16、3.00、2.88、2.76，雖隨煤柱寬度增大沖擊危險不斷降低，但其應(yīng)力集中系數(shù)仍然較高，說明仍存在一定程度的沖擊危險。

5)由圖5可知，工作面煤體中應(yīng)力隨煤柱寬度變化較小，從圖4(a)中可以看出，當(dāng)煤柱為5m時其應(yīng)力峰值位置位于巷道左上方煤體中，相比于其他煤柱寬度時應(yīng)力峰值位置距巷道較遠(yuǎn)，從而降低了巷道附近的沖擊危險程度。

3.2 理論計算合理煤柱寬度

應(yīng)用文獻(xiàn)[7]中屈服煤柱寬度計算公式可計算出理論屈服煤柱寬度。

巷道幫部距煤柱極限強(qiáng)度發(fā)生處的距離為：

采空區(qū)幫部距煤柱極限強(qiáng)度發(fā)生處的距離為：

式中，M為采高或回采巷道高度，m；μ為泊松比；β為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)，β=μ/(1-μ)；C0為煤體內(nèi)粘聚力，MPa；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；γ0為煤體平均容重，kN/m3；σyl為煤柱的極限程度，MPa；P為冒落巖石、支護(hù)設(shè)施等對煤柱的側(cè)向約束力，MPa。

根據(jù)250102工作面實際情況及實驗室數(shù)據(jù)確定上述公式各參量取值。工作面回采巷道高度為3.4m；所采煤層測得的泊松比為0.37；內(nèi)摩擦角為27°；內(nèi)粘聚力為6MPa；平均容重為14.5kN/m3；錨桿、錨索、支架等支護(hù)設(shè)施對煤柱的側(cè)向約束力P1取0.25MPa、采空區(qū)冒落矸石對煤柱的側(cè)向約束力P2取0MPa。煤柱極限強(qiáng)度σyl可根據(jù)莫爾應(yīng)力圓的極限力學(xué)平衡狀態(tài)及煤柱應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行理論計算[10]：

式中，[σ]為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

煤體單軸抗壓強(qiáng)度13.72MPa，將數(shù)據(jù)代入可得σyl=56.12MPa。根據(jù)屈服煤柱計算公式將上述數(shù)值代入公式可得X1=2.32m，X2=2.38m?？紤]到工作面回采過程中的動壓擾動，應(yīng)力峰值會向煤體深部轉(zhuǎn)移，還需考慮一定的安全系數(shù)k，取1.2，則理論上屈服煤柱寬度應(yīng)為：W=k(X1+X2)=5.64m。

綜上所述，數(shù)值模擬和理論計算得出適合2501采區(qū)的工作面區(qū)段煤柱寬度為5～6m。

4 優(yōu)化效果檢驗

華亭煤礦2501采區(qū)后續(xù)工作面均采用6m保護(hù)煤柱，將250102工作面與煤柱優(yōu)化后的250104工作面進(jìn)行對比，檢驗優(yōu)化效果。250104工作面運輸巷高為3400mm，寬為4500mm，巷道幫部和頂部錨桿采用?22mm×2800mm均讓壓錨桿支護(hù)，最大讓壓距離30mm，讓壓點15～17t，錨桿間排距均為750mm×800mm；頂部錨索采用?22mm×6500mm錨索，排距1000mm×800mm；巷道幫部和頂板采用“W”型鋼帶、菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫頂。工作面超前27m范圍內(nèi)采用ZH12000/24/36巷道支架支護(hù)，超前27～120m采用DFB-4.2mπ型鋼梁配合DW35-300/110X型單體液壓支柱架設(shè)“一梁三柱”抬棚支護(hù)，抬棚排距為0.7m。根據(jù)觀測，工作面正?；夭蓵r小煤柱穩(wěn)定性較好，若煤柱片幫較為嚴(yán)重或出現(xiàn)裂縫，則注射瑞克(高分子材料)以保持煤柱穩(wěn)定。工作面正?；夭蓵r煤層自然發(fā)火不明顯，工作面回采進(jìn)入末期時，向采空區(qū)注氮和阻燃劑以預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火。由于瓦斯含量不高，瓦斯防治采用風(fēng)排瓦斯為主，上隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯、上隅角氣室抽放瓦斯為輔的瓦斯防治方法。

250104工作面回采240m至520m礦震統(tǒng)計見表3，分布情況如圖6所示。

表3 250104工作面震源能量頻次統(tǒng)計表

圖6 250104工作面104J能量以上震源分布圖

由表1與表3對比可知，104J能量以下的礦震事件明顯增加，尤其是102J以下的能量的礦震事件增加了十幾倍，而104～5×105J能量的礦震變化不大，但5×105J能量以上的礦震由7次減少到了2次，變化明顯。

由圖3和圖6對比可知，煤柱優(yōu)化后礦震集中程度明顯降低，大能量礦震震源分布較為均勻，沒有在煤柱側(cè)集中。由此可以推斷，250104工作面改為小煤柱后，煤柱側(cè)應(yīng)力集中程度明顯降低。

250102、250104工作面回采期間沖擊地壓顯現(xiàn)情況對比見表4，250104工作面煤柱優(yōu)化后與250102工作面對比沖擊地壓顯現(xiàn)次數(shù)由39次下降至28次，巷道破壞長度由1248m下降為740m，而且杜絕了人身傷亡情況，優(yōu)化效果較好。

表4 250102、250104回采期間沖擊地壓顯現(xiàn)情況對比表

5 結(jié) 論

1)對250102工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)104J能量以上的礦震震源明顯集中在工作面20m煤柱側(cè)，20m煤柱側(cè)具有更高的沖擊危險。

2)對沖擊地壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了分析，得出250102工作面沖擊地壓類型為煤柱型。

3)采用數(shù)值模擬和理論計算方法得出適用于2501采區(qū)的防沖煤柱寬度為5～6m。

4)華亭煤礦2501采區(qū)后續(xù)工作面均采用6m煤柱，經(jīng)實踐驗證，該寬度的區(qū)段煤柱對華亭煤礦沖擊地壓防治效果較好，對2501采區(qū)后續(xù)工作面及其他地質(zhì)條件類似礦井區(qū)段煤柱的留設(shè)具有很好的指導(dǎo)意義。