裕興煤業(yè)15 號煤層大巷保護(hù)煤柱回收工作面布置研究

李德軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 裕興煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 概 況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)有限公司為主體企業(yè)兼并重組整合，由4 個整合關(guān)閉礦井、5 個十關(guān)閉礦井及1 個已關(guān)閉礦井等10 個礦井整合而成，兼并重組整合后企業(yè)核準(zhǔn)名稱為山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)裕興煤業(yè)有限公司（裕興煤業(yè)），兼并重組前，井田內(nèi)原各礦井均開采3 號煤，目前井田內(nèi)3 號煤已基本采空。礦井接替煤層為15 號煤層，上距3 號煤層底板一般為91.61～115.31 m，煤層厚度3.10～5.39 m，含0～2 層夾矸，夾矸成分為泥巖或炭質(zhì)泥巖，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。由于裕興煤業(yè)設(shè)計(jì)服務(wù)年限較長，現(xiàn)階段15 號煤層一采區(qū)可采資源已基本采掘完畢，為了提高采出率，設(shè)計(jì)對采區(qū)內(nèi)西大巷保護(hù)煤柱進(jìn)行回收。為實(shí)現(xiàn)煤柱工作面的安全高效生產(chǎn)，對其巷道布置和支護(hù)進(jìn)行研究。

2 大巷保護(hù)煤柱變形破壞規(guī)律研究

大巷保護(hù)煤柱的采掘工程平面圖如圖1 所示。由圖1 可以看出，此次設(shè)計(jì)回收的大巷保護(hù)煤柱主要位于F19、F14 兩條正斷層之間，根據(jù)規(guī)劃，工作面總可采長度約400 m，工作面寬度為100～120 m，煤柱工作面兩側(cè)存在不同邊界條件的采空區(qū)，工作面回風(fēng)平巷側(cè)與15101 工作面采空區(qū)相鄰，南側(cè)為15102～15105 工作面采空區(qū)，15102 采空區(qū)、15103 采空區(qū)、15104 采空區(qū)與西運(yùn)輸大巷距離分別為37、5、35 m，15103 采空區(qū)拐點(diǎn)與大巷煤柱距離最小。由于煤柱回收工作面兩側(cè)鄰近的采空區(qū)為不同類型，因此采用數(shù)值模擬手段分別對其破壞規(guī)律進(jìn)行研究。

圖1 煤柱工作面位置示意圖Fig.1 Coal pillar working face position diagram

2.1 采空區(qū)側(cè)破壞規(guī)律及巷道合理位置分析

為了確定煤柱回收工作面回風(fēng)平巷的合理位置，進(jìn)行煤柱內(nèi)應(yīng)力及塑性破壞區(qū)分布的研究，結(jié)合裕興煤業(yè)一采區(qū)西大巷實(shí)際工況，借助FLAC3D軟件建立孤島工作面模型，模擬計(jì)算得到煤柱走向與采空區(qū)推進(jìn)方向平行時煤柱內(nèi)塑性區(qū)及支承應(yīng)力分布，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)側(cè)工作面破壞及應(yīng)力分布Fig.2 Failure and stress distribution of goaf side working face

根據(jù)圖2 所示結(jié)果分析可知，煤柱內(nèi)圍巖狀態(tài)可以看出，距采空區(qū)較近的區(qū)域受到采動影響較大，該部分煤體及頂?shù)装鍑鷰r發(fā)生塑性破壞，圍巖內(nèi)支承應(yīng)力變化幅度大，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中；在距離采空區(qū)較遠(yuǎn)的煤柱深部區(qū)域，煤巖體圍巖狀態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)受采空區(qū)影響較小，煤巖體未發(fā)生塑性破壞，保持著原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)。根據(jù)采空區(qū)邊緣附近煤柱的塑性破壞情況及應(yīng)力分布，可將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域，Ⅰ區(qū)域距采空區(qū)邊緣0～11 m，該部分煤巖體結(jié)構(gòu)松散破碎，但是煤巖體支承應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，處于應(yīng)力降低區(qū)，若將巷道布置在該區(qū)域，煤柱寬度較小，圍巖內(nèi)應(yīng)力較低，有利于巷道維護(hù)和縮小煤柱寬度；Ⅱ區(qū)域距采空區(qū)邊緣11～30 m，煤巖體基本未出現(xiàn)塑性破壞，支承應(yīng)力高于原巖應(yīng)力，將煤柱布置在該區(qū)域時，預(yù)計(jì)巷道圍巖在應(yīng)力作用下將出現(xiàn)較大范圍的破壞變形，造成巷道支護(hù)及維護(hù)困難；Ⅲ區(qū)域距采空區(qū)邊緣30 m 以上，距離采空區(qū)較遠(yuǎn)，圍巖未破壞，基本處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)及支護(hù)較方便，但是煤柱寬度過大，浪費(fèi)資源嚴(yán)重。綜合分析可知，初步建議煤柱回收工作面回風(fēng)平巷與采空區(qū)間煤柱寬度為4～9 m 較合理。

2.2 采空區(qū)拐點(diǎn)附近應(yīng)力分布與變形規(guī)律

大巷煤柱煤回收工作面運(yùn)輸平巷鄰近3 個與巷道軸向呈不同角度的采空區(qū)拐點(diǎn)，為掌握采空區(qū)拐點(diǎn)附近煤柱圍巖破壞及應(yīng)力分布特征，借助FLAC3D 軟件建立圖3（a）所示數(shù)值模型?？紤]15102 與15104 采空區(qū)平行且與煤柱距離基本相同，且15102 采空區(qū)面積最大，因此僅進(jìn)行15202采空區(qū)的模擬，共建立15102 和15103 工作面采空區(qū)，在2 個采空區(qū)拐點(diǎn)處分別向大巷方向做水平垂線，以MN 測線為例得到拐點(diǎn)區(qū)域圍巖塑性區(qū)及應(yīng)力變化規(guī)律，如圖3（b）、圖3（c）所示。

圖3 采空區(qū)拐點(diǎn)數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation results of goaf inflection point

根據(jù)圖3 所示結(jié)果分析可知，在距采空區(qū)N拐點(diǎn)0～8 m，煤柱發(fā)生塑性破壞，支承應(yīng)力迅速增大達(dá)到峰值；在距采空區(qū)N 拐點(diǎn)8～30 m，煤柱內(nèi)部支承壓力由22.5 MPa 逐漸減小為10 MPa，煤柱內(nèi)未出現(xiàn)塑性破壞；距采空區(qū)N 拐點(diǎn)30 m 以上區(qū)域，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力穩(wěn)定為10 MPa。對比HF 測線得到圍巖塑性區(qū)及支承應(yīng)力分布情況可知，不同采空區(qū)拐點(diǎn)處煤柱內(nèi)塑性區(qū)和應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，15102 采空區(qū)及15104 采空區(qū)拐點(diǎn)距西運(yùn)輸大巷距離分別為35 m、37 m，均超出采空區(qū)拐點(diǎn)支承應(yīng)力影響范圍，因此進(jìn)行煤柱回收工作面運(yùn)輸平巷合理布置位置研究時僅考慮15103 采空區(qū)的影響即可。

3 煤柱工作面回采巷道布置

為進(jìn)一步確定裕興煤業(yè)15 號煤層一采區(qū)煤柱回收工作面巷道布置位置，以保證巷道穩(wěn)定、資源采出率為原則，提出多種煤柱寬度方案，然后借助數(shù)值模擬軟件對掘巷期間圍巖應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析。

3.1 回風(fēng)平巷合理位置分析

一采區(qū)大巷煤柱回收工作面回風(fēng)平巷與15101采空區(qū)平行，設(shè)計(jì)7 種窄煤柱寬度，分別為3、4、5、6、8、10、15 m，回風(fēng)平巷在不同煤柱寬度條件下，采用傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)方式掘進(jìn)，取巷道腰線位置應(yīng)力及位移為對象展開研究，結(jié)果如圖4 所示。煤柱寬度為3～6 m 時，應(yīng)力峰值小于15 MPa；煤柱寬度為8、10、15 m 時，應(yīng)力峰值分別達(dá)到20、25、30 MPa，煤柱寬度大于6 m 后，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度迅速增大。當(dāng)煤柱寬度小于6 m時，巷道內(nèi)煤柱側(cè)水平位移為200 mm 左右；煤柱寬度為8、10、15 m 時，煤柱水平位移達(dá)到300 mm 左右。綜合考慮可知，回風(fēng)平巷與15101 采空區(qū)留設(shè)4～6 m 煤柱最合理。

圖4 回風(fēng)平巷煤柱內(nèi)應(yīng)力及水平位移模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of internal stress and horizontal displacement of coal pillar in return airway

3.2 運(yùn)輸平巷合理位置分析

建立運(yùn)輸平巷沿15103 采空區(qū)拐點(diǎn)邊緣處掘進(jìn)的數(shù)值模型，采用傳統(tǒng)錨網(wǎng)索支護(hù)方式掘進(jìn)，取巷道腰線位置應(yīng)力及表面位移為對象展開研究，結(jié)果如圖5 及表1 所示。煤柱寬度為5 m 時，應(yīng)力峰值為20.5 MPa，巷道處于應(yīng)力增高區(qū)，巷道表面變形量較大；煤柱寬度為10 m 時，煤柱內(nèi)應(yīng)力開始呈雙峰分布，巷道煤柱幫內(nèi)支承應(yīng)力峰值達(dá)到20.5 MPa，巷道表面變形量同樣較大；煤柱寬度為20、30、40 m 時，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力開始呈雙峰分布，巷道側(cè)峰值減小為15 MPa 左右，巷道表面變形量也顯著減小，利用巷道支護(hù)及穩(wěn)定。由此說明，煤柱寬度大于20 m 后利于巷道掘進(jìn)和維護(hù)工作，考慮到盡可能提高資源采出率，煤柱寬度為20 m 最合理可行。

表1 巷道表面變形量數(shù)值模擬結(jié)果Table 1 Numerical simulation results of roadway surface deformation

圖5 運(yùn)輸平巷煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution in coal pillar of transport roadway

4 煤柱回收工作面巷道布置及應(yīng)用效果

綜合前文數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果，最終確定裕興煤業(yè)一采區(qū)大巷煤柱回收工作面布置如圖6 所示?；仫L(fēng)平巷與15101 工作面采空區(qū)間煤柱寬度5 m，運(yùn)輸平巷與15103 采空區(qū)拐點(diǎn)處垂直間距20 m，煤柱回收工作面寬度為100 m，可采長度為420 m?；仫L(fēng)平巷與運(yùn)輸順槽均采用矩形斷面寬×高=4.5 m×3.0 m，根據(jù)裕興煤業(yè)煤巷支護(hù)以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)其錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)。

圖6 一采區(qū)大巷煤柱回收工作面巷道布置Fig.6 Roadway layout of coal pillar recovery working face in No.1 mining area

巷道掘進(jìn)期間監(jiān)測表面變形情況來考察支護(hù)效果。根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道圍巖大約在掘進(jìn)40 d后穩(wěn)定下來，回風(fēng)平巷窄煤柱側(cè)內(nèi)移變量多穩(wěn)定在100～120 mm，實(shí)體煤幫內(nèi)移量多為90～100 mm，頂板下沉多穩(wěn)定在120～140 mm，底板無明顯底鼓變形，煤柱幫變形略大于實(shí)體煤幫變形，總體穩(wěn)定性良好；運(yùn)輸平巷煤柱側(cè)內(nèi)移變量多穩(wěn)定在90～100 mm，實(shí)體煤幫內(nèi)移量多為110～120 mm，頂板下沉多穩(wěn)定在100～120 mm，底板無明顯底鼓變形，實(shí)體煤幫變形量略大于煤柱幫，總體穩(wěn)定性良好。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析可知，煤柱回收工作面巷道掘進(jìn)期間變形滿足其使用需求，設(shè)計(jì)的巷道布置方式及支護(hù)參數(shù)可行。

5 結(jié)語

以裕興煤業(yè)一采區(qū)大巷保護(hù)煤柱回收工作面設(shè)計(jì)及施工為背景，借助數(shù)值模擬手段對采空區(qū)影響下煤柱內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)及塑性破壞情況進(jìn)行研究，鄰近15101 工作面采空區(qū)的回風(fēng)平巷煤柱寬度為4～6 m較合適，靠近多個采空區(qū)拐點(diǎn)的運(yùn)輸平巷煤柱寬度為20 m 以上最合適。由此確定回風(fēng)平巷與15101采空區(qū)間煤柱寬度為5 m，運(yùn)輸平巷與15103 采空區(qū)拐點(diǎn)間煤柱寬度為20 m，兩條順槽均采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，掘巷期間監(jiān)測其表面變形情況，兩條順槽掘巷期間圍巖大約在掘進(jìn)40 d 后穩(wěn)定下來，巷道圍巖變形在其設(shè)計(jì)的合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的工作面布置參數(shù)的合理性。