寺家莊煤礦大采高工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度研究與應(yīng)用

席冰冰

（華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限公司現(xiàn)階段主采15#煤層，15#煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組。15117 工作面上部及周邊均為實(shí)體煤巖層，以北緊鄰二盤區(qū)三條準(zhǔn)備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為15115 工作面，以東為15119 工作面（規(guī)劃）。地面標(biāo)高+918～ +1068 m，埋深417～638 m，煤層厚度3.1～8.0 m，工作面傾斜長(zhǎng)度200 m，煤層傾角4°～30°，煤層硬度2～3，煤層頂?shù)装鍘r性特征詳見表1。15#煤層一采區(qū)工作面回采巷道采用雙巷掘進(jìn)，本工作面運(yùn)輸順槽與接替工作面回風(fēng)順槽同時(shí)掘進(jìn)，區(qū)段保護(hù)煤柱18.5～20.0 m。15117 回風(fēng)順槽在鄰近工作面采動(dòng)影響下，表面變形嚴(yán)重，影響礦井的安全高效生產(chǎn)，因此需對(duì)合理區(qū)段煤柱進(jìn)行研究，杜絕在15119 回風(fēng)順槽及后續(xù)工作面出現(xiàn)類似情形。

表1 煤層頂板情況表

2 回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征

15#煤層回采巷道采用矩形斷面，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)?；仫L(fēng)順槽設(shè)計(jì)寬度4.2 m，高3.5 m，頂板采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm，幫錨桿規(guī)格為Ф20 mm×2200 mm，間排距1000 mm，每側(cè)3 根。中部和上部錨桿垂直煤壁施工，下部1 根垂直煤幫與水平方向呈15°夾角施工。頂板及兩幫錨桿均采用樹脂加長(zhǎng)錨固方式，頂板每排布置2 根錨索，間排距為2000 mm，長(zhǎng)度6.3 m，采用三支樹脂錨固劑端錨。

15117 回風(fēng)順槽在鄰近的15115 工作面回采期間，超前工作面一定距離及鄰近工作面后方，多處巷道表面明顯變形，主要表現(xiàn)為頂板過度下沉，煤柱側(cè)煤幫片幫嚴(yán)重，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)到1.89 m，兩幫移近量最大達(dá)到0.97 m，巷道斷面收縮量已嚴(yán)重超出其允許值，無(wú)法滿足其生產(chǎn)需求。為掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況及鄰近工作回采動(dòng)壓對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，在15117 回風(fēng)順槽錨桿端部安裝應(yīng)力傳感器，得到頂板錨桿及煤柱幫錨桿受力變化規(guī)律如圖1。由圖1 可以看出，超前鄰近工作面約40 m，頂板及煤柱幫錨桿載荷開始明顯地增大，持續(xù)增大至滯后鄰近工作面約60 m，頂板及兩幫錨桿載荷均突然下降，且煤柱幫上部錨桿受力大于中部錨桿，靠近煤柱幫一側(cè)的頂板錨桿受力大于實(shí)體煤幫一側(cè)錨桿的受力，說明鄰近工作面回采引起回風(fēng)順槽頂板向采空區(qū)側(cè)下沉，頂板錨桿受力增大，煤柱幫上部錨桿受力增大。滯后鄰近工作面約60 m 時(shí)，頂板錨桿及煤柱幫上部錨桿發(fā)生脫錨、失效，進(jìn)一步加劇巷道表面的變形及圍巖的失穩(wěn)。

圖1 回風(fēng)順槽錨桿受力圖

3 區(qū)段煤柱合理尺寸模擬研究

15117 回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱寬度為18.5 m，根據(jù)15117 回風(fēng)順槽在鄰近工作面采動(dòng)影響下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可知，該煤柱寬度無(wú)法有效支承頂板的回轉(zhuǎn)下沉，煤柱寬度不合理，故采用FLAC3D軟件對(duì)合理區(qū)段煤柱進(jìn)行模擬分析研究[1]。為使覆巖破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬簡(jiǎn)潔、真實(shí)可靠，所建立模型大小為500 m×180 m×300 m，即推進(jìn)方向300 m，長(zhǎng)度方向500 m，地層總厚180 m，上覆400 m 的巖層等效為上邊界的載荷，以地質(zhì)勘探儲(chǔ)量核算報(bào)告中的巖層分布情況及巖層參數(shù)為依據(jù)，建立模擬分析所用模型。模型共分為1～26 層，自下而上第8 層為5.75 m 的15#煤層。模型底面為固定支撐，無(wú)y 方向（即水平方向）速度、位移，無(wú)x 方向速度、位移。模型的物理力學(xué)參數(shù)按照實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果給出，模擬區(qū)段煤柱寬度分別為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m，模擬方案及模型如圖2。

圖2 數(shù)值模型及模擬方案

模擬時(shí)首先進(jìn)行回采巷道及切眼的開挖，然后進(jìn)行左側(cè)工作面的回采，最后進(jìn)行右側(cè)工作面的回采。每次推進(jìn)10 m，監(jiān)測(cè)左側(cè)工作面回采150 m 時(shí)，工作面前方20 m 處煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力，整理得到不同寬度煤柱條件下一次采動(dòng)影響下煤柱內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律如圖3（a），其中“0”點(diǎn)代表回風(fēng)順槽的煤柱幫。右側(cè)工作面回采期間，工作面回采150 m 時(shí)，截取工作面對(duì)應(yīng)位置煤柱塑性破壞情況，得到二次采動(dòng)影響下煤柱塑性破壞情況如圖3（b）～（d）。

圖3 數(shù)值模擬分析結(jié)果

由圖3（a）可以看出，一次采動(dòng)影響下，區(qū)段煤柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，垂直應(yīng)力呈“M”形分布[2-3]，靠近回采工作面一側(cè)應(yīng)力集中程度高于另一側(cè)。煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力隨著煤柱寬度的減小呈增大趨勢(shì)，煤柱寬度由40 m 減小為30 m，應(yīng)力增幅較小，由30 m 繼續(xù)減小為25 m、20 m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度顯著增大。由此說明，煤柱寬度為30 m 以上時(shí)，對(duì)于頂板支承效果較好，煤柱寬度小于30 m 時(shí)，應(yīng)力集中程度較高，巷道煤柱幫塑性破壞深度大，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。根據(jù)圖3（b）～（d）可知，二次采動(dòng)影響下，煤柱寬度為20 m、25 m 時(shí)，煤柱全部塑性破壞，基本喪失了對(duì)頂板巖層的支承能力，不利于巷道的穩(wěn)定和工作面的安全生產(chǎn)；煤柱寬度為30 m 時(shí)，二次采動(dòng)影響下，煤柱兩側(cè)出現(xiàn)一定深度的塑性破壞，但是煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)[4]，仍具有良好的支承性能。綜合考慮，建議寺家莊礦15#煤層回采工作面區(qū)段煤柱最佳寬度為30 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

15117 運(yùn)輸順槽與15119 回風(fēng)順槽采用雙巷掘進(jìn)，區(qū)段煤柱寬度30 m，巷道沿15#煤層底板掘進(jìn)，巷道布置及頂?shù)装鍘r層如圖4。為考察區(qū)段煤柱的合理性，在15117 工作面回采期間，監(jiān)測(cè)15119 回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)特征及錨索受力情況，整理得到結(jié)果如圖5。

圖4 15119 回風(fēng)順槽綜合柱狀圖

由圖5 可知，一次采動(dòng)影響下，超前工作面約30 m 時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭鸵平吭鏊匍_始加快，表明工作面超前支承壓力影響范圍約為30 m，直至鄰近工作面推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)位置，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為114 mm，兩幫相對(duì)移近量為86 mm，巷道表面變形量微小，不影響其使用功能；超前工作面約20 m 時(shí)頂板錨索受力開始明顯地增大，靠近煤柱幫一側(cè)的1#錨索受力大于另一側(cè)的2#錨索，1#錨索受力最大值為193 kN，頂板錨索極限載荷為240 kN，錨索受力在其合理載荷范圍內(nèi)。綜上可知，一次采動(dòng)影響下，15119 回風(fēng)順槽表面變形量相對(duì)于15117 回風(fēng)順槽顯著減小，留設(shè)30 m煤柱能夠有效支撐頂板，保障巷道圍巖穩(wěn)定性，符合安全生產(chǎn)要求。

圖5 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

寺家莊煤礦15#煤層區(qū)段煤柱18～20 m，接替工作面回風(fēng)順槽在一次采動(dòng)影響下，巷道表面變形破壞嚴(yán)重，錨桿、錨索出現(xiàn)脫錨、破斷失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。以15117 工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，數(shù)值模擬研究表明，區(qū)段煤柱寬度為30 m 時(shí)，煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)，能夠有效支承頂板巖層?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)應(yīng)用期間，15119回風(fēng)順槽表面變形量微小，錨索受力在其合理載荷范圍內(nèi)，圍巖整體穩(wěn)定，說明30 m 的區(qū)段煤柱是安全可靠的。