近距離煤層沿空掘巷煤柱合理留設(shè)寬度研究

李俊星

(太原煤炭氣化(集團)有限責任公司，山西 太原 030006)

近年來，隨著開采技術(shù)及采掘裝備水平的顯著提高，極大地提升了我國煤炭開采的速度及產(chǎn)量。為保障正常的回采工作面接替，避免相鄰工作面間的干擾，有時回采工作面間采用跳采解決此問題，留下了許多形式各異的孤島工作面。特別是對于近距離煤層群孤島工作面開采而言，由于其兩側(cè)或多側(cè)均為采空區(qū)，因此在其回采過程中呈現(xiàn)出較大的應(yīng)力集中，使得圍巖破壞程度較大，對工作面的安全高效生產(chǎn)造成了極大威脅。因此，需要對近距離煤層孤島工作面的開采方式和煤柱合理留設(shè)寬度進行研究，保證其回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)孤島工作面的高效安全回采。

1 孤島工作面概況

華苑煤業(yè)位于山西省晉中市靈石縣兩渡鎮(zhèn)境內(nèi)，隸屬太原煤炭氣化(集團)有限責任公司，產(chǎn)能90萬t/a，井田走向長2.9 km，傾向?qū)?.1 km，面積5.903 3 km2。礦井采用斜井開拓方式，布置有主斜井、副斜井、回風立井和行人斜井等4個井筒，為低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型中等，目前開采9號、10號煤層。

10202孤島工作面位于二采軌道大巷西南，標高480～550 m，工作面西北面與首采的10201工作面、9201工作面采空區(qū)相鄰，西南面為村莊保安煤柱邊界，工作面東北面與10203工作面、9203工作面采空區(qū)相鄰，蓋山厚度為330.1～484.7 m。所采10號煤層厚度為3.34～4.75 m，平均4.23 m，煤層傾角5～9°。9號煤層平均厚度1.12 m，與10號煤層的層間距為4.35～6.21 m，平均5.32 m。10號煤層直接頂(即9號、10號煤層之間巖層)為砂質(zhì)泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.23 m。10號煤層瓦斯含量最大值小于4 m3/t，瓦斯類型為簡單。工作面可采長度為2 000 m，工作面長度為198.5 m。

目前，孤島工作面回采巷道主要有留煤柱護巷、沿空留巷和沿空掘巷三種布置形式。其中，沿空掘巷作為孤島工作面開采巷道布置的一種方式，因采出率高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，又可以分為完全和窄煤柱兩種沿空掘巷方式。完全沿空掘巷存在漏風、透水等諸多缺點，制約了其推廣應(yīng)用；對于窄煤柱沿空掘巷，留設(shè)合理的煤柱寬度后，不但能夠使回采巷道處在應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)利于圍巖控制，而且能夠使本區(qū)段工作面開采免受上區(qū)段采空區(qū)中積水、瓦斯等不利因素的影響。因此，本文將窄煤柱沿空掘巷應(yīng)用于華苑煤業(yè)近距離煤層孤島工作面當中，對煤柱的合理留設(shè)寬度進行了研究。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬模型

本文研究對象是10202工作面沿空掘巷煤柱的合理留設(shè)寬度，結(jié)合10202工作面的所處位置，10202工作面的膠帶巷和軌道巷所處應(yīng)力環(huán)境近似一致。因此，為加快計算結(jié)果，在研究過程中，文章僅根據(jù)實際情況選取10202工作面軌道巷的應(yīng)力環(huán)境建模研究。表1為數(shù)值模擬模型巖石力學參數(shù)統(tǒng)計表。

表1 數(shù)值模擬模型巖石力學參數(shù)統(tǒng)計

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以現(xiàn)場實際地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，建立數(shù)值計算模型，模型的尺寸為408.6 m×300 m×95.8 m。根據(jù)10202工作面埋深情況，將均布載荷施加于數(shù)值模型上部邊界，并將數(shù)值模型其余邊界固定，煤層及巖層的本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

2.2 煤柱合理留設(shè)寬度分析

由于10202工作面的膠帶巷和軌道巷位于9號煤層遺留煤柱的下方，分別位于10203工作面、10201工作面覆巖穩(wěn)定后的側(cè)向支承壓力增高區(qū)，受9號煤遺留區(qū)段煤柱支承應(yīng)力疊加作用，且后期又要經(jīng)受9202工作面和10202工作面采動影響，巷道頂?shù)装搴蛢蓭统惺茌^大垂直壓力，巷道變形大，維護困難。為了更好地對巷道進行維護、減少資源浪費，需要確定10202膠帶巷和10202軌道巷的合理煤柱留設(shè)寬度。

擬定對4 m、6 m、10 m三種不同煤柱留設(shè)寬度條件下，從垂直應(yīng)力分布、圍巖變形情況及圍巖塑性區(qū)分布等三個方面，對煤柱留設(shè)情況進行分析，從而確定出最為合理的煤柱寬度。

2.2.1 垂直應(yīng)力分析

在不同煤柱留設(shè)寬度條件下，10202工作面軌道巷與10203工作面采空區(qū)之間的垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖2所示。

從圖2中可以看到，沿空巷道挖掘后，側(cè)向承應(yīng)力的峰值位置將轉(zhuǎn)移到煤體的深處，且煤柱越寬，其峰值位置將離采空區(qū)越遠。當煤柱寬為4 m時，沿空巷道兩側(cè)所受垂直應(yīng)力較小，煤柱幫內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值約為13.7 MPa，巷道位于應(yīng)力降低區(qū)域，利于巷道的圍巖控制及維護；隨著煤柱寬度的增大，沿空巷道兩側(cè)所受的垂直應(yīng)力也會隨之增大，當煤柱寬度為6 m時，其煤柱幫內(nèi)相應(yīng)的垂直應(yīng)力峰值約為16.9 m，盡管實體煤幫支承應(yīng)力超過原巖應(yīng)力，但其數(shù)值均較小，巷道能夠位于應(yīng)力降低、增大兩個區(qū)域的交匯位置，利于巷道的圍巖控制及維護；當煤柱寬度為10 m時，其煤柱幫內(nèi)相應(yīng)的垂直應(yīng)力峰值約為32.1 m，遠超過原巖應(yīng)力，巷道的圍巖控制及維護較為困難。

圖2 不同煤柱留設(shè)寬度條件下的垂直應(yīng)力云圖

結(jié)合以上分析，10202工作面軌道巷煤柱留設(shè)應(yīng)盡量窄，此時在上覆9號煤層遺留煤柱部分旋轉(zhuǎn)下沉于10203采空區(qū)，煤柱上方垂直應(yīng)力集中程度較小。故確定現(xiàn)場留設(shè)4～6 m煤柱較為合理。

2.2.2 巷道圍巖位移分析

在不同煤柱留設(shè)寬度條件下，10202軌道巷圍巖變形情況如圖3和圖4所示。

圖3 10202工作面軌道巷道圍巖水平位移云圖

從圖3、圖4中可以看到，煤柱寬度由4 m增加到10 m過程中，巷道頂板位移和實體煤幫位移呈現(xiàn)減少的變化趨勢，煤柱寬度從4 m到6 m時，巷道頂板位移和實體煤幫位移分別減少了16 mm和44 mm；隨著煤柱加寬，巷道頂板位移和實體煤幫位移顯著減少。煤柱寬度由4 m增加到10 m的過程中，巷道煤柱幫位移呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，在煤柱寬度為6 m時，巷道煤柱幫位移達到頂峰。依據(jù)巷道變形判斷覆巖穩(wěn)定時，煤柱寬度為6～10 m最為合理。

圖4 110202工作面軌道巷道圍巖垂直位移云圖

2.2.3 巷道圍巖位移分析

在不同煤柱留設(shè)寬度條件下，10202軌道巷道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖5所示。

圖5 10202工作面軌道巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

從圖5中可以看到，隨著煤柱加寬，10202工作面軌道巷道圍巖塑性區(qū)也會顯著增大。與此同時，煤柱內(nèi)剪切破壞范圍也隨之增大。因而依據(jù)巷道塑性區(qū)分布，煤柱寬度為4～6 m最為合理。綜合上述三個方面的分析，最終確定煤柱留設(shè)寬度為6 m。

3 結(jié) 語

在現(xiàn)場布置華苑煤業(yè)10202工作面時，將兩條巷道留設(shè)煤柱寬度原先沿用的20 m縮減為6 m。目前該工作面采用沿空掘巷窄煤柱開采方法并配合水力預(yù)裂技術(shù)手段后正在順利回采中，兩條巷道圍巖較為穩(wěn)定，易于維護控制，取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。按照本文研究成果，該工作面使用沿空掘巷窄煤柱開采方法后，預(yù)計可增加煤炭開采量33.64萬t，按照目前煤炭價格824元/t、回收率50%計算，預(yù)計可多創(chuàng)造經(jīng)濟效益13 859.68萬元。華苑煤業(yè)10號煤層沿空掘巷窄煤柱開采的成功應(yīng)用，對礦井其他孤島工作面的開采具有良好的借鑒和指導作用，保證了孤島工作面回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了孤島工作面的高效安全回采，可全面推廣到礦井其他10號煤層孤島工作面的開采當中。