特厚煤層綜放工作面小煤柱沿空掘巷技術(shù)應用

李海龍

（晉能控股集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037200）

1 工程概況

同發(fā)東周窯礦井位于山西省大同市左云縣城東，設計規(guī)模為10.00 Mt/a。礦井服務年限為84 a，其中一水平服務年限為51.6 a，二水平服務年限為32.4 a，開拓方式為斜、立混合開拓，全井田按塊段共劃分了6個采區(qū)，8202工作面位于二采區(qū)。8203工作面地面位于南端午村西北，楊戶嶺村東南，蓋山厚度約為500 m，井下位于西部三條大巷西北側(cè)，南側(cè)為8202工作面，上覆侏羅系煤系地層不存在采空區(qū)，工作面頂?shù)装鍘r性特征如表1所示，工作面煤層總厚5.15～10.35 m，均厚6.75 m，8203工作面一進一回兩巷布置，其中2203皮帶巷、5203輔助運輸巷沿5#煤層底板布置，鄰近的8202工作面輔助運輸巷與8201工作面間區(qū)段煤柱寬度為30 m，但是仍出現(xiàn)回采巷道片幫、底鼓嚴重等問題，巷道掘進效率低、返修成本大、浪費煤炭資源，為解決該類問題，以8203工作面為背景展開相關(guān)研究。

表1 工作面頂板特征

2 8203工作面復雜地質(zhì)特征

根據(jù)東周窯礦8203工作面地質(zhì)條件及地應力測試相關(guān)資料表明，該工作面地質(zhì)條件復雜主要表現(xiàn)為以下幾個方面：①煤層結(jié)構(gòu)復雜：煤厚為5.15～10.35 m，有3～10層0.20～1.71 m的夾矸，煤層厚度變化大，且夾矸賦存不穩(wěn)定。②火成巖侵入嚴重：該工作面火成巖侵入嚴重，煤層賦存不穩(wěn)定，煤層頂板巖性變化大，裂隙發(fā)育，煌斑巖強度較高，存在局部割煤、放頂煤困難、采空區(qū)頂板懸而不垮的風險。③斷層：根據(jù)坑透資料顯示，工作面存在17條斷層，其中10條斷層斷距大于煤層厚度的二分之一，對回采有一定影響。④水文地質(zhì)類型復雜：主要充水因素為頂板砂礫巖裂隙水與斷層帶富水，煤層老頂為礫巖含水層，回采范圍內(nèi)斷層多，斷層帶富水。在斷層破碎帶存在頂板淋水問題。⑤水平地應力較大：工作面平均埋深為500 m，埋藏深度較大，巷道圍巖最大主應力約為垂直應力的1.85～1.90倍，最大主應力方向接近水平，不利于圍巖的穩(wěn)定。

3 護巷煤柱寬度優(yōu)化研究

3.1 煤柱寬度理論分析

依據(jù)8203工作面現(xiàn)場實際情況，以彈性理論為基礎(chǔ)，假設煤巖體為均質(zhì)連續(xù)的彈塑性體，建立區(qū)段煤柱受力模型如圖1（a）所示，推導出煤柱內(nèi)煤體達到極限強度處距鄰近采空區(qū)邊緣垂直距離x1（應力降低區(qū)寬度）計算公式[1]：

式中：M為工作面采高；β為測壓系數(shù)，一般為0.9～1.5；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取28°；C0為煤體內(nèi)的黏聚力，取2 MPa；Px為煤柱采空區(qū)一側(cè)的支護阻力，根據(jù)現(xiàn)場實際情況取0；取測壓系數(shù)分別為0.9、1.5條件下，鄰近工作面采高為4～8 m條件下，采空區(qū)邊緣應力降低區(qū)的變化規(guī)律如圖1（b）所示，測壓系數(shù)為1.5時，應力降低區(qū)寬度隨采高變化范圍為5.35～10.70 m，測壓系數(shù)為0.9時，應力降低區(qū)寬度為3.21～6.42 m。綜上可得隨著開采深度的增大和測壓系數(shù)的增大，工作面?zhèn)认驂毫Ψ逯迪驅(qū)嶓w煤內(nèi)部移動，8202工作面開采厚度為6.75 m，則采空區(qū)邊緣應力降低區(qū)范圍為5.62～8.91 m。將沿空巷道布置在應力降低區(qū)內(nèi)，可使巷道圍巖內(nèi)應力集中程度較低，利于巷道整體穩(wěn)定，考慮到東周窯礦屬于高瓦斯礦井，區(qū)段煤柱需要起到隔絕上區(qū)段采空區(qū)的作用，煤柱寬度不宜過小，因此初步確定8202與8203工作面之間區(qū)段煤柱寬度設計為6～8 m最為合適。

圖1 區(qū)段煤柱受力模型及應力降低區(qū)寬度變化規(guī)律

3.2 合理煤柱寬度模擬分析

區(qū)段煤柱寬度對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有重要影響[2]，基于上文分析結(jié)果，8203工作面與8202工作面間區(qū)段煤柱寬度應在6～8 m。為進一步確定最佳護巷煤柱寬度，通過FLAC3D軟件建立模擬模型，根據(jù)工作面范圍內(nèi)鉆孔柱狀圖信息，模型共建立12層煤巖層，模型頂面埋深為360 m，模型范圍為500 m×200 m（X×Z），共劃分為63 200個網(wǎng)格單元，8202工作面開挖寬度為220 m，5203輔助運輸巷布置在采空區(qū)邊緣，沿煤層底板開挖，尺寸為寬×高=5.5 m×3.8 m，留設煤柱寬度分別為6 m、7 m、8 m，模型詳細情況如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

采用上述模型，通過模擬計算得到煤柱寬度分別為6 m、7 m、8 m條件下沿空巷道圍巖變形量及垂直應力如表2所示，可以看出，煤柱寬度為6 m條件下，巷道圍巖變形量微小，巷道圍巖內(nèi)垂直應力較小，此時巷道位于應力降低區(qū)內(nèi)，有利于巷道圍巖的整體穩(wěn)定；而煤柱寬度為7 m、8 m時，巷道圍巖變形量顯著增大，相對于煤柱寬度為6 m條件下提高了一個數(shù)量級，且圍巖內(nèi)的垂直應力明顯增大。綜合考量支護條件、煤柱應力環(huán)境、巷道圍巖變形量等因素，確定區(qū)段煤柱寬度為6 m最為合理。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果

4 復雜條件下沿空巷道支護設計

4.1 掘巷支護

東周窯礦5203輔助運輸巷具有埋深較大、斷面大、水平應力大、采動劇烈等特征，參考國內(nèi)類似地質(zhì)條件下沿空巷道支護成功案例，設計掘巷階段采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式[3-4]，5203輔助運輸巷矩形斷面，巷道凈寬5 500 mm，凈高3 500 mm，巷道全長1 827 m，巷道頂板采用錨索＋錨桿+W鋼帶+6#鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護，巷道兩幫采用錨桿+W鋼帶+6#鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護，具體支護參數(shù)和形式如圖3所示。

圖3 5203輔助運輸巷支護斷面

4.2 窄煤柱穩(wěn)定性研究

東周窯礦8203工作面緊鄰8202工作面采空區(qū)布置，結(jié)合前文研究成果設計5203輔助運輸巷與采空區(qū)間煤柱寬度6 m進行掘巷，8203工作面巷道布置詳情如圖4（a）所示，為掌握小煤柱內(nèi)裂隙的發(fā)育情況，在掘巷初期進入沿空段后，采用鉆孔窺視儀對煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育情況進行探查，小煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育情況如圖4（b）所示。

沿空巷道一側(cè)煤柱表面深度1.5 m范圍內(nèi)，煤巖體受到掘進影響裂隙發(fā)育，煤巖體破碎較嚴重；距沿空巷道表面深度1.5～2.5 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育程度有所降低，但是同樣存在較多的裂隙，煤體整體較完整；距沿空巷道表面深度2.5～4.5 m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育程度進一步加?。欢诰嘌乜障锏辣砻?.5～6.0 m范圍內(nèi)，為8202工作面采空區(qū)邊緣淺部煤巖體，均松散破碎嚴重，完整性差。綜上可知，煤柱內(nèi)區(qū)域Ⅰ、Ⅳ基本喪失其自穩(wěn)和承載能力，而核心的Ⅱ、Ⅲ區(qū)域裂隙同樣發(fā)育，承載能力較差，且存在沿空巷道與采空區(qū)導通的風險，因此，設計對沿空段小煤柱進行淺孔+深孔注漿加固。淺孔注漿采用高水速凝材料，深孔注漿采用水泥漿液；淺孔注漿壓力0.5～1.5 MPa，深孔注漿壓力1.5～2.5 MPa；先低壓后高壓，注漿孔均沿水平方向垂直煤壁布置，孔徑42 mm，注漿孔布置如圖5所示。

圖4 巷道布置平面圖及煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育規(guī)律

圖5 小煤柱幫注漿鉆孔布置

5 沿空巷道穩(wěn)定性分析

東周窯礦5203輔助運輸巷掘巷及工作面回采階段，在掘進工作面后方和回采工作面前方布置測站[5]，密切關(guān)注巷道表面的位移情況。監(jiān)測結(jié)果表明，5203掘巷階段兩幫及頂?shù)装逑鄬σ平烤３衷?0 mm以下，圍巖穩(wěn)定性良好。工作面回采階段選取5203巷實體煤段、沿空段典型的巷道表面變形量變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出巷道表面變形主要在距工作面小于70 m的采動影響階段，直至工作面回采至測站附近，實體煤段兩幫移近量最大值150 mm，頂板移近量最大值106 mm；沿空段兩幫移近量最大值217 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾?29 mm，均不影響巷道的正常使用功能；5203輔助運輸巷所設計的煤柱寬度及支護方案取得良好應用效果。

圖6 5203巷表面移近量變化曲線

6 結(jié)語

通過對東周窯礦8203工作面地質(zhì)資料、開采技術(shù)條件分析，表明該工作面地質(zhì)條件復雜，通過理論分析計算表面8202工作面采空區(qū)邊緣應力降低區(qū)寬度為5.62～8.91 m，通過數(shù)值模擬研究確定最為合理的煤柱為6 m，通過工程類比設計具體的支護方案，鉆孔窺視探明小煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育情況，設計通過注漿加固改善煤柱的整體性和穩(wěn)定性，工程實踐期間礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，5203輔助運輸巷掘巷階段及工作面回采期間，巷道圍巖穩(wěn)定，表面變形量在合理可控范圍內(nèi)，取得較好的安全和經(jīng)濟效益。