特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度綜合確定方法

閆壽慶，張 震，席建輝，高曉進

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 滿洲里 021410；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

隨著開采裝備及開采技術(shù)水平的不斷提高，我國煤炭行業(yè)對資源回采率的要求越來越高，傳統(tǒng)的20 m以上的大煤柱尺寸已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前形勢發(fā)展的需求。近年來，無煤柱及小煤柱開采技術(shù)迅速發(fā)展。特厚煤層綜放開采由于礦壓強烈、采空區(qū)遺煤易自燃等影響因素[1-5]，較難實現(xiàn)無煤柱開采，因此采用小煤柱成為特厚煤層綜放開采提高資源回收率的主要途徑，而小煤柱合理寬度的確定一直是困擾著采礦行業(yè)的難題。

針對沿空掘巷小煤柱合理寬度的研究，國內(nèi)外學(xué)者進行了深入的研究，取得了較為豐富的研究成果。陸士良等[6]基于煤柱內(nèi)應(yīng)力分布的分區(qū)來確定煤柱寬度，同時提出了以煤柱圍巖移近量作為衡量煤柱合理的指標(biāo)；侯朝炯等[7]根據(jù)松散介質(zhì)應(yīng)力平衡理論，對煤體的應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度進行了計算，分析了巷道合理煤柱穩(wěn)定性尺寸；祁方坤等[8]基于采空側(cè)煤體傾向支承壓力分布特征以及護巷煤柱體的極限平衡理論分析，結(jié)合數(shù)值模擬對綜放沿空掘巷護巷窄煤柱留設(shè)寬度進行了優(yōu)化設(shè)計；張廣超等[9]針對高強度開采綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)問題，推導(dǎo)出低應(yīng)力區(qū)范圍表達式，并采用數(shù)值模擬軟件分析不同回采階段下煤柱巷道圍巖應(yīng)力與位移演化特征。綜上所述，目前針對特厚煤層小煤柱合理寬度的確定多集中于理論計算及模擬分析手段，由于客觀研究對象的復(fù)雜性及影響的多因素性[5]，研究結(jié)果往往與工程實際存在較大差距，而目前采用的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析下的煤柱尺寸的確定，其數(shù)據(jù)來源單一，無法精準(zhǔn)確定煤柱合理寬度。鑒于此，本文以扎賚諾爾礦區(qū)靈東煤礦為工程背景，提出了基于JW-6型地下高頻電磁波CT系統(tǒng)、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)值模擬等多手段下特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度的綜合確定方法，并依據(jù)此方法分析了靈東煤礦特厚煤層綜放開采側(cè)向支承壓力分布規(guī)律及演化規(guī)律，確定了特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度。

1 現(xiàn)場概況

扎賚諾爾礦區(qū)靈東煤礦北翼三面為特厚煤層綜放開采，工作面開采II2煤層，煤層厚度15.0～17.5 m，平均厚度16.32 m，埋深340 m，煤層傾角1°～3°，煤層普氏硬度系數(shù)2.5，節(jié)理裂隙發(fā)育。煤層直接頂為泥巖，厚度12.58 m，之上為粉砂巖、泥巖，厚度分別為1.50 m和19.53 m，底板為細砂巖、泥巖。工作面綜合鉆孔柱狀圖如圖1所示。

工作面東側(cè)為北翼二面采空區(qū)，留設(shè)區(qū)段煤柱寬度為25 m，西側(cè)為實體煤。 工作面割煤高度3.7 m，放煤高度12.62 m，傾向長度208 m，走向長度3 200 m。工作面順槽采用雙巷布置方式。

圖1 工作面綜合柱狀圖

2 特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度綜合確定方法

針對特厚煤層小煤柱合理寬度確定多集中于理論計算及模擬分析手段、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來源單一的現(xiàn)狀，本文提出了基于JW-6型地下高頻電磁波CT系統(tǒng)、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)值模擬多手段下特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度的綜合確定方法，并依據(jù)此方法分析了特厚煤層綜放開采側(cè)向支承壓力分布規(guī)律及演化規(guī)律、煤柱承載及變形特征。

2.1 基于高頻電磁波分析下煤柱寬度確定

研究表明，高頻電磁波CT系統(tǒng)中電磁波吸收衰減系數(shù)能夠很好地反映煤體內(nèi)應(yīng)力的分布狀態(tài)。較原巖應(yīng)力區(qū)域而言，工作面采動影響區(qū)域不同范圍煤體內(nèi)電磁波吸收衰減系數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的增長，應(yīng)力集中區(qū)電磁波衰減系數(shù)要明顯高于應(yīng)力降低區(qū)[10-11]。

本文利用高頻電磁波CT系統(tǒng)對靈東煤礦25 m煤柱內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)進行了探測分析，探測方案如圖2所示，其中A區(qū)為原巖應(yīng)力區(qū)，B區(qū)為采動影響區(qū)域。

圖2 試驗鉆孔布置方案圖

高頻電磁波CT探測結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，原巖應(yīng)力A區(qū)域煤體內(nèi)電磁波吸收衰減系數(shù)在6.5 dB/m以下；采動影響B(tài)區(qū)域區(qū)段煤柱內(nèi)呈現(xiàn)單個高吸收異常區(qū)，高吸收異常區(qū)處于采空區(qū)側(cè)向11～16 m區(qū)域，高吸收異常區(qū)內(nèi)電磁波衰減系數(shù)變化范圍在10.0～13.5 dB/m。因此，25 m煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值高應(yīng)力區(qū)分布于采空區(qū)側(cè)11～16 m區(qū)域。

2.2 基于鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)下煤柱寬度確定

回采工作面開采后，已開采范圍內(nèi)上覆圍巖承載載荷向區(qū)段煤柱移動，采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，對區(qū)段煤柱寬度留設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義[12]。

為得到煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，在靈東煤礦北翼三面回風(fēng)順槽內(nèi)超前185 m范圍布置9臺鉆孔應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，用于監(jiān)測側(cè)向支承壓力的動態(tài)變化特征。布置方案如圖4所示，其中測點間距為1.5 m，其中測點1～測點3距北翼二面巷幫分別為6 m、7 m、8 m，測點4～測點9距巷幫為10～15 m。分析煤柱內(nèi)不同時期、不同位置處圍巖應(yīng)力，如圖5所示。

圖3 煤柱不同區(qū)域高頻電磁波CT探測成果解釋

圖4 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備布置方案

由圖5可知，在工作面由超前測點40 m推進至采空區(qū)后方200 m的過程中，煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力先后經(jīng)歷了“增長-降低-二次增長-平穩(wěn)”四個階段。當(dāng)各測點進入采空區(qū)后方35 m時，應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移至煤柱內(nèi)14 m位置；隨后，側(cè)向頂板繼續(xù)回轉(zhuǎn)直至采動穩(wěn)定，結(jié)合圖5可知，煤體內(nèi)各位置應(yīng)力傳感器監(jiān)測應(yīng)力繼續(xù)增大，煤柱內(nèi)12～14 m位置處應(yīng)力集中程度超過首次應(yīng)力峰值并逐漸趨于穩(wěn)定，15 m位置處測點應(yīng)力變化幅度較小，表明其應(yīng)力峰值位置穩(wěn)定于煤柱內(nèi)15 m以內(nèi)。因此，總結(jié)分析可知，回采工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值處于煤柱內(nèi)15 m位置處，即煤柱內(nèi)0～14 m范圍為破碎區(qū)和塑性區(qū)。

2.3 基于數(shù)值模擬分析下煤柱寬度確定

為更好地指導(dǎo)煤柱寬度的留設(shè)，基于工作面綜合柱狀圖，采用數(shù)值模擬分析了不同寬度煤柱尺寸下圍巖的變形狀態(tài)。 模擬煤柱寬度分別為5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m時。 模型基礎(chǔ)參數(shù)見表1，模型尺寸320 m×200 m，上邊界施加垂直載荷5.25 MPa，以模擬上覆地層的重力作用，左右邊界施加水平位移約束。三維模型如圖6所示。

圖5 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

表1 煤層及頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)

圖6 三維模型

分析不同寬度煤柱破壞特征及應(yīng)力分布規(guī)律可知，當(dāng)煤柱寬度在5.0～10.0 m范圍內(nèi)，其煤柱整體均已發(fā)生塑性破壞，煤柱內(nèi)部承載載荷多為2～4 MPa，煤柱本身不再承載較大載荷，如圖7所示。

圖7 不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力分布

圖8 不同煤柱寬度下煤柱變形狀態(tài)

圖8為不同煤柱寬度下煤幫的變形情況。由圖8可知，沿空小煤柱開采，煤幫變形多在0.8 m以上，隨著煤柱寬度的逐漸增大，煤幫變形量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當(dāng)煤柱寬度由5 m增加到8 m時，其煤幫變形由1.4 m急劇減小至0.8 m；當(dāng)煤柱由8 m繼續(xù)增加至10 m時，煤幫變形量不再發(fā)生較大的變化。

2.4 煤柱寬度確定

區(qū)段煤柱是指走向長壁工作面之間留設(shè)的保護煤柱，其主要作用是隔離采空區(qū)。區(qū)段煤柱寬度決定著下一工作面沿空巷道的位置，煤柱寬度不同，沿空巷道所受的礦壓影響不同。因此，一般將避開采動支承壓力峰值作用范圍作為確定沿空巷道位置或區(qū)段煤柱寬度的主要依據(jù)。

根據(jù)區(qū)段煤柱留設(shè)的基本原則，巷道應(yīng)布置于側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)域。高頻電磁波CT探測結(jié)果表明，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值(煤柱內(nèi)高吸收異常區(qū))分布于采空區(qū)側(cè)11～16 m區(qū)域，沿空小煤柱巷道可布置在采空區(qū)側(cè)16 m范圍內(nèi)，此時小煤柱合理寬度范圍6～11 m；煤體內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律現(xiàn)場實測表明，單側(cè)工作面回采后，側(cè)向應(yīng)力峰值位于煤柱側(cè)向14 m位置處，煤柱內(nèi)塑性區(qū)寬度為0～14 m，沿空小煤柱巷道可布置在采空區(qū)側(cè)14 m范圍內(nèi)，小煤柱寬度范圍應(yīng)小于9 m；數(shù)值模擬表明，隨著煤柱寬度的逐漸增大，煤幫變形量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，特厚煤層沿空掘巷小煤柱寬度增大到8.0 m時，煤幫變形量不再發(fā)生較大的變化。

綜上所述，考慮到巷道寬度尺寸，煤柱合理寬度范圍應(yīng)為6.0～9.0 m。

3 特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱應(yīng)用

基于以上研究成果，將小煤柱在新二采區(qū)左三片進行了應(yīng)用，煤柱寬度8.0 m，支護方案及應(yīng)用效果如下所述。

3.1 沿空掘巷小煤柱圍巖支護方案

小煤柱巷道斷面形狀為小弧形斷面，斷面尺寸5 000 mm×4 200 mm(寬×高)(圖9)?，F(xiàn)場沿空掘巷小煤柱圍巖支護方案如下所述。

圖9 特厚煤層綜放開采巷道支護斷面圖

1) 頂板支護。 錨桿采用桿體為18 mm左旋高強螺紋鋼錨桿，長度2.1 m，采用加長錨固方式，錨桿間排距800 mm×1 180 mm，錨固長度為1 200 mm，280 mm×200 mm×75 mm槽鋼托盤，5 mm圓鋼編制而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2 000 mm×1 180 mm，網(wǎng)眼尺寸為110 mm×130 mm。錨桿錨固力7 t。錨索為15.24 mm，鋼絞線錨索，長度5 300 mm，樹脂加長錨固，錨固長度2 416 mm；采用每排兩根和每排一根交錯布置，排距800 mm，間距1 180 mm，錨索錨固力12 t。

2) 兩幫支護。采用的錨桿、護具的規(guī)格及布置方式同頂板。采用的錨索型號、護具的規(guī)格及布置方式同頂板。小煤柱幫采用長度為4 300 mm錨索進行補強支護，間距1 180 mm。

3.2 沿空掘巷小煤柱圍巖變形監(jiān)測

為監(jiān)測小煤柱巷道圍巖變形，工作面回采期間分別對頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M行了觀測。小煤柱巷道圍巖的變形監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，巷道變形現(xiàn)場情況如圖11所示。由圖10和圖11分析可知，隨工作面不斷推進，圍巖變形量呈現(xiàn)增加趨勢，超前工作面120 m處，兩測點頂?shù)装逡平糠謩e為50 mm、100 mm，兩測點兩幫變形量分別為50 mm、60 mm；工作面推進至測點位置，兩測點頂?shù)装逡平糠謩e增至230 mm、250 mm，兩測點兩幫變形量分別為250 mm、210 mm。頂?shù)鬃畲笞冃嗡俾蕿?5 mm/d，兩幫最大變形速率為12 mm/d。

圖10 頂?shù)装逡平孔兓瘓D

圖11 巷道兩幫移近量變化圖

4 結(jié) 論

1) 提出了基于JW-6型地下高頻電磁波CT系統(tǒng)、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)值模擬等多手段下特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度確定的綜合方法，分析了煤柱內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)、煤柱的承載及變形特征。

2) 以靈東煤礦特厚煤層綜放開采為背景，利用綜合分析方法確定了合理煤柱寬度6.0～9.0 m。開采實踐表明，利用該綜合方法確定的小煤柱尺寸合理。 回采期間，巷道圍巖最大變形速率25 mm/d，巷道圍巖變形量控制在300 mm以內(nèi)，變形量小，滿足工作面安全生產(chǎn)需要，提高了煤炭資源回收率。