大同煤田特厚煤層小煤柱開采研究與應(yīng)用

趙科研

(馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100)

大同礦區(qū)內(nèi)大部分礦井現(xiàn)主采C3-5號特厚煤層，煤層厚度14～17 m，頂板為堅(jiān)硬頂板，設(shè)計(jì)開采方法為綜放開采，原初設(shè)工作面區(qū)段煤柱為30 m，在回采過程中發(fā)現(xiàn)鄰空巷道壓力顯現(xiàn)劇烈，巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。目前國內(nèi)對小煤柱開采技術(shù)已經(jīng)有了一定的研究，并在小煤柱特厚煤層開采方面進(jìn)行了一些試驗(yàn)和應(yīng)用[1-5]，其原理是將鄰空巷道布置在應(yīng)力影響較小的區(qū)域內(nèi)，從而緩解巷道變形，保障安全生產(chǎn)，提高資源回收率。因此決定從優(yōu)化區(qū)段煤柱入手，采用小煤柱開采技術(shù)，但是考慮到煤層賦存的地質(zhì)條件不同，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)不能生搬硬套，因此需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行針對性研究與應(yīng)用。

1 工程背景

馬道頭煤業(yè)是年產(chǎn)1 000萬t的特大型礦井，位于大同煤田西部，礦井采用斜井開拓，主采煤層為C3-5號特厚煤層，開采方法為綜放開采。文章以該礦8211綜放工作面為例，該工作面埋深238 m，傾向252 m(原設(shè)計(jì)為230 m)，可采走向2 001 m，平均煤厚15 m，老頂為14.5 m厚中細(xì)砂巖，直接頂為7.2 m厚粗砂巖，偽頂及直接底為0.7 m左右厚泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板為4.3 m厚粉砂巖。5211巷為8211工作面區(qū)段回風(fēng)巷，與8210工作面采空區(qū)相鄰。巷道斷面為5.2 m×3.7 m，支護(hù)方式采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方式，文章以5211巷為研究對象，重點(diǎn)研究區(qū)段煤柱的合理確定，并對巷道在回采過程中進(jìn)行礦壓觀測與分析，工作面示意見圖1。

圖1 8211工作面位置示意

2 區(qū)段小煤柱的確定

該次在5211巷選用小煤柱進(jìn)行試驗(yàn)，首先通過數(shù)值模擬科學(xué)合理確定煤柱的寬度，基于工作面各參數(shù)建立了三維數(shù)值模擬模型，X軸方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向，Y軸方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向，Z軸垂直向上。按照現(xiàn)場實(shí)測的支承壓力影響范圍確定計(jì)算模型邊界：X取100 m，Y取50 m，Z取80 m，面間煤柱取70 m，模型見圖2。煤巖體采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，上邊界被施以均布載荷，計(jì)算模型尺寸為100 m×50 m×80 m。

圖2 工作面數(shù)值模擬模型

數(shù)值模擬結(jié)果表明：當(dāng)煤柱寬度在12～30 m時，巷道圍巖的穩(wěn)定性差，圍巖應(yīng)力高，巷道發(fā)生持續(xù)大變形；當(dāng)煤柱寬度在8～12 m時，巷道圍巖的穩(wěn)定性好，圍巖應(yīng)力中等，巷道發(fā)生中等變形；當(dāng)煤柱寬度在5～8 m時，巷道圍巖的穩(wěn)定性差，雖然圍巖應(yīng)力較低，但巷道變形嚴(yán)重。因此將煤柱選在8～12 m范圍時巷道變形較小，特別是當(dāng)煤柱寬度8 m時，巷道變形量最小，所以確定試驗(yàn)煤柱為8 m。

3 沿空巷道礦壓觀測

為驗(yàn)證小實(shí)施煤柱效果，對回采期間的小煤柱巷道變形進(jìn)行了觀測，具體如下。

3.1 圍巖松動圈觀測

工作面回采過程中，在巷道距工作面50 m(1號)、100 m (2號)和200 m (3號)布置3個測站進(jìn)行鉆孔窺視來確定圍巖松動圈范圍，見表1。

表1 圍巖松動圈范圍

由表1可知，5211巷頂板不同位置松動圈范圍有所不同，靠煤柱幫側(cè)頂板松動圈范圍要大于靠實(shí)體煤幫側(cè)頂板，但差距并不明顯，裂隙發(fā)育程度處于中等水平，說明頂板得到了較好的控制；實(shí)體煤幫松動圈范圍明顯大于頂板，該區(qū)域應(yīng)力集中程度高，對采動影響的敏感度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于頂板。

3.2 沿空巷道圍巖支承壓力測定

該次采用YHY30礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器測量煤層內(nèi)支承應(yīng)力變化，該儀器采用紅外通訊方式，將數(shù)據(jù)采集到FCH64/2礦用本安型手持采集器，由采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，完成對沿空巷道側(cè)向支承壓力應(yīng)力場變化的監(jiān)測。在5211巷內(nèi)兩幫施工16個鉆孔埋設(shè)鉆孔應(yīng)力傳感器，實(shí)體煤側(cè)鉆孔應(yīng)力傳感器布置深度分別為1 m、5 m、9 m、13 m、17 m、21 m、25 m、29 m、33 m，煤柱側(cè)應(yīng)力傳感器布置深度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m。通過對5211回風(fēng)巷道煤柱與實(shí)體煤層支承壓力大小的觀測確定特厚煤層側(cè)向支承壓力大小。鉆孔應(yīng)力傳感器布置示意如圖3。

圖3 鉆孔應(yīng)力傳感器布置示意(m)

回采期間，隨8211工作面推進(jìn)沿空巷道側(cè)向支承壓力的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，支承壓力演化規(guī)律如下：

圖4 沿空巷道側(cè)向支承壓力演化規(guī)律

可以看出，工作面距離監(jiān)測站點(diǎn)100 m時，煤柱上方支承壓力峰值偏向8 m煤柱中軸巷道側(cè)1 m位置，峰值最大時5 MPa，說明煤柱中部煤體承載能力相較于其他兩側(cè)煤體較高。而實(shí)體煤側(cè)支承壓力峰值位于離巷道實(shí)體煤壁25 m位置，數(shù)值為15.8 MPa。實(shí)體煤層支承壓力峰值及升高范圍遠(yuǎn)大于煤柱上方，說明實(shí)體幫側(cè)煤體相對較為完整，承載能力更強(qiáng)。工作面距離監(jiān)測站點(diǎn)80 m時，煤柱側(cè)支承壓力增加幅度微弱，而實(shí)體煤側(cè)支承壓力峰值相較于100 m測站增大約2 MPa，峰值位置未發(fā)生改變。工作面推進(jìn)至距離監(jiān)測站點(diǎn)60 m和40 m位置時，8 m煤柱因其經(jīng)歷多次采動影響，承載能力弱，因此支承壓力峰值仍處于6.3 MPa和7.5 MPa較小數(shù)值，而實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值向?qū)嶓w煤壁側(cè)內(nèi)移動5 m，并且峰值分別為21.8 MPa和23.5 MPa，應(yīng)力峰值相較于100 m位置測站實(shí)體煤幫增加6.0 MPa和7.7 MPa。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是工作面超前支承壓力與采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加，實(shí)體煤幫支承壓力呈現(xiàn)大幅增大，并且因?qū)嶓w煤進(jìn)一步破壞導(dǎo)致支承壓力峰值向?qū)嶓w煤內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

4 結(jié) 語

1) 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，8 m區(qū)段小煤柱較30 m區(qū)段大煤柱，巷道在回采過程中變形量大大減小。

2) 巷道圍巖松動圈觀測結(jié)果表明，8 m小煤柱對支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了很好的控制效果，頂板與兩幫煤體裂隙發(fā)育程度控制在中等以內(nèi)。

3) 支承壓力測定結(jié)果表明，8 m小煤柱沿空煤巷的布置合理，支承應(yīng)力在煤柱側(cè)及巷道附近巖層較小，使得巷道處于低應(yīng)力環(huán)境，有利保證沿空煤巷的穩(wěn)定性。

4) 應(yīng)用小煤柱后，煤炭資源回收率提升顯著，8 m小煤柱較原有30 m大煤柱可增加工作面傾向長度22 m，按工作面推進(jìn)長度2 001 m，煤的容重1.45 t/m3，煤層平均厚度15 m計(jì)算，可多采出煤炭約96萬t，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。