挖金灣煤礦小煤柱留設(shè)以及巷道支護設(shè)計研究

杜 益

(晉能控股煤業(yè)集團 挖金灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

留設(shè)煤柱是礦井生產(chǎn)中保護巷道的常用方法，留設(shè)煤柱寬度過大浪費煤炭資源，留設(shè)煤柱過小則無法保證巷道穩(wěn)定。隨著煤層厚度的增加，留設(shè)煤柱造成的煤炭資源浪費大大增加，合理留設(shè)小煤柱或煤墻是解決煤炭資源浪費、提高煤炭資源回收率的重要方法，但小煤柱留設(shè)面臨巷道設(shè)計、支護以及維修等一系列難題[1-5]。本文針對挖金灣礦大采高綜采工作面小煤柱留設(shè)尺寸以及巷道支護問題，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場檢測等方法系統(tǒng)研究巷道支護方案，提出相應(yīng)的對策，保證巷道圍巖長期穩(wěn)定。

1 工程背景

山西挖金灣煤礦位于秦家山村東部，東部與8105工作面采空區(qū)相鄰，南部與盤區(qū)北回風(fēng)巷、主運輸巷、輔助運輸巷相接，西部尚未開拓，北部與張家墳村保護煤柱相鄰。其中4號煤層是主采煤層，平均厚度3.52 m，該煤層的直接頂板及底板強度相對較低。工作面與相鄰8105工作面中間留有40～60 m的護巷煤柱，回采巷道一般沿煤層頂?shù)装寰蜻M，巷道斷面較大，最大斷面可達30 m2，給支護帶來困難。當(dāng)前礦井生產(chǎn)存在以下技術(shù)難題。

1) 工作面巷道及圍巖嚴(yán)重破壞，煤壁片幫致使工作面出現(xiàn)網(wǎng)兜狀；底板鼓起須進行大量的返修工作；

2) 工作面推進時頂板垮落現(xiàn)象加劇，超前支護難以進行，頂板管理十分困難，安全隱患相對較大；

3) 護巷煤柱寬度大，煤炭資源浪費嚴(yán)重。

2 煤柱合理尺寸研究

2.1 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

采掘活動改變了煤巖層的原始應(yīng)力狀態(tài)，打破了應(yīng)力平衡狀態(tài)，使三維應(yīng)力場向深部轉(zhuǎn)移，易使護巷煤柱出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致煤柱出現(xiàn)“破裂-塑性-彈性”的明顯分區(qū)，煤柱上的鉛直應(yīng)力與煤柱邊緣到彈性核的距離呈指數(shù)關(guān)系增長。根據(jù)極限平衡理論，支承壓力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間的距離為：

(1)

礦井實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)研究表明：X0的區(qū)間范圍在3～20 m，通常情況下在5～12 m，應(yīng)力降低區(qū)寬度2～7 m。煤柱應(yīng)力集中狀態(tài)以及承載能力主要受采高、煤柱寬度以及埋深等因素影響，影響應(yīng)力分布狀態(tài)主要有3種。當(dāng)B>2L時，煤柱兩側(cè)應(yīng)力出現(xiàn)峰值，中心應(yīng)力則分布均勻，且為原巖應(yīng)力γH，煤柱邊緣應(yīng)力集中，煤柱從邊緣到中央，區(qū)域分布一般為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)[7]；當(dāng)L

2.2 支承壓力分布規(guī)律

護巷煤柱的應(yīng)力分布狀態(tài)與強度直接影響工作面區(qū)段巷道護巷煤柱的尺寸設(shè)計與支護工藝方法的選擇。為掌握護巷煤柱支承壓力的分布規(guī)律，設(shè)計了現(xiàn)場實測方案，于8107運輸巷與8105回風(fēng)巷之間區(qū)段煤柱進行了側(cè)向支承壓力的現(xiàn)場測試，測試過程及結(jié)論如下。

采用KSE—Ⅲ型鋼弦壓力記錄儀及其采集儀，觀測8107工作面推進過程中側(cè)向支承壓力的分布特點，側(cè)向支承壓力的實測區(qū)域位于8107運輸巷與8105回風(fēng)巷之間的區(qū)段煤柱，應(yīng)力計布置如圖1所示。

圖1 支承壓力測區(qū)布置(mm)

煤柱應(yīng)力演化規(guī)律，采動對護巷煤柱的應(yīng)力分布影響巨大，在實測過程中采動影響距離達到76.2 m，應(yīng)力集中系數(shù)最大達到1.9。護巷煤柱應(yīng)力分布特征為“馬鞍型”，應(yīng)力峰值位于8105巷道22.1 m處，峰值應(yīng)力為17.7 MPa，8107巷道側(cè)的應(yīng)力峰值為17.1 MPa，位于巷幫內(nèi)12 m處，窄煤柱護巷煤柱尺寸范圍應(yīng)在5.6～7 m。

2.3 小煤柱合理尺寸的數(shù)值模擬

根據(jù)山西挖金灣煤礦4號煤層綜采工作面地質(zhì)概況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，數(shù)值結(jié)構(gòu)取300 m×200 m×100 m(長×寬×高)的準(zhǔn)三維模型，模型共計57 160個計算單元，82 400個單元節(jié)點。通過邊界條件控制位移變形，模型底部和側(cè)面限制水平與垂直方向的位移，在上部添加等自重的垂直應(yīng)力。模擬按照煤柱留設(shè)尺寸分為5 m、10 m、20 m、30 m 4種情況，各條件下垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

圖2 煤柱垂直應(yīng)力分布云圖

護巷煤柱寬度為30 m時，應(yīng)力分布呈“馬鞍形”狀態(tài)，側(cè)向支承壓力峰值在相鄰巷道幫部8.6～10.1 m范圍內(nèi)；當(dāng)護巷煤柱為20 m時，側(cè)向支承壓力峰值在相鄰巷道幫部8.2～12.1 m范圍內(nèi)；當(dāng)護巷煤柱寬度為10 m和5 m時，應(yīng)力疊加導(dǎo)致載荷集中系數(shù)較大，10 m寬煤柱的彈性核X0為3.76 m，5 m寬煤柱的彈性核X0為1.78 m。

當(dāng)煤柱寬度為5 m時，煤柱基本處于全破碎狀態(tài)，承載能力大幅下降，彈性核消失，使護巷煤柱承載的應(yīng)力逐漸向兩側(cè)煤體深部轉(zhuǎn)移。根據(jù)上述理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，提出了設(shè)計礦井護巷煤柱寬度為6 m，小煤柱護巷支護效果模擬如下。

工作面兩巷掘進支護后的位移變化如圖3(a)所示，直接頂位移變化較大，巷道周邊巖體的位移變化總體較??；圖3(b)為工作面開采完成后的圍巖位移云圖，工作面區(qū)段巷道斷面變形十分嚴(yán)重，巷道斷面壓縮20%的條件下，6 m寬的小煤柱側(cè)的巷道穩(wěn)定性較好。

圖3 位移變化云圖

3 巷道支護設(shè)計

3.1 巷道參數(shù)設(shè)計

山西挖金灣煤礦4號煤層工作面護巷煤柱寬度為40～60 m，掘進時多采用底板掘進，巷道斷面相對較大，兩巷的超前支護多采用棚子支護，應(yīng)用單體液壓支柱配合板梁、木垛支護，支護效率較差，巷道返修量大，返修頻率高。寬煤柱的護巷效果差，導(dǎo)致大量資源浪費。合理確定小煤柱留設(shè)尺寸，優(yōu)化該條件下的巷道支護技術(shù)是高效安全生產(chǎn)的重要舉措。基于上述研究結(jié)果，設(shè)計在8107、8105兩巷之間留設(shè)寬度為6 m的小煤墻，其設(shè)計斷面尺寸為4.4 m×3.2 m(寬×高)。

3.2 現(xiàn)場實驗監(jiān)測

巷道頂?shù)装逡平繙y試結(jié)果表明，掘巷過程中巷道的頂板變形量多小于10 mm，工作面向前推進時，兩幫及頂?shù)装宓奈灰屏考眲≡龃蟆，F(xiàn)場監(jiān)測點安置在距切眼80 m范圍的8107運輸巷道的頂?shù)装逦灰谱兓€，如圖4(a)所示。在14測區(qū)1號測線位置下出現(xiàn)位移峰值，為450 mm。8105回風(fēng)巷道8-9測區(qū)頂?shù)装逦灰魄€如圖4(b)所示，位移量不大，均小于160 mm。隨著先前推進，位移量有所增加，老頂來壓過后，頂?shù)装逦灰屏吭黾于厔轀p小。

圖4 巷道頂?shù)装逡平?/p>

4 結(jié) 語

1) 護巷煤柱的寬度與開采高度以及煤層埋深是相互耦合的關(guān)系，隨著寬度的減小，煤柱上的應(yīng)力分布曲線形狀從雙駝峰形到馬鞍形再到單峰形逐步變化。

2) 4種不同煤柱寬度的數(shù)值模擬結(jié)果表明，30 m煤柱時，煤柱應(yīng)力分布呈“馬鞍型”，其側(cè)向峰值應(yīng)力分別位于相鄰巷道幫部8.6～9.1 m；10 m和5 m煤柱時，彈性核寬度分別為3.76 m、1.78 m；5 m煤柱時，彈性核消失。

3) 理論分析、數(shù)值模擬和工程類比相結(jié)合的研究方法證明8107工作面留設(shè)6.0 m煤柱是可行的?，F(xiàn)場監(jiān)測位移量變化過程表明：位移量變化隨著工作面向前推進而增大，距離切眼80 m范圍內(nèi)下沉位移量出現(xiàn)峰值為450 mm。