朔南礦區(qū)厚煤層孤島工作面合理留設(shè)小煤柱的試驗(yàn)研究

孫 浩

(同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 036000)

小煤柱沿空掘巷是一種有眾多技術(shù)優(yōu)勢的無煤柱護(hù)巷方式。一方面小煤柱沿空掘巷處在相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍內(nèi),避開側(cè)向支承壓力升高區(qū)影響,有利于實(shí)現(xiàn)巷道圍巖控制,并且小煤柱也能夠隔離相鄰采空區(qū)的水、火、瓦斯等,保障巷道安全[1];另一方面,縮小了區(qū)段煤柱尺寸,提高了工作面的可采儲量和資源回收率[2-3]。同時(shí),沿空巷道與相鄰采空區(qū)之間的區(qū)段煤柱寬度變小,本工作面能夠利用相鄰工作面的系統(tǒng)巷道,減少了巷道開拓工程量,降低掘進(jìn)費(fèi)用。

沿空掘巷重在“掘”,首先要確定掘巷時(shí)間和掘巷位置,而掘巷位置要通過煤柱尺寸確定。近年來,許多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)也對此進(jìn)行了大量研究。吳邦全等[4]以劉橋二礦655工作面為背景,通過在工作面風(fēng)巷斜硐進(jìn)行現(xiàn)場礦壓監(jiān)測,得出掘巷時(shí)間和沿空巷道的最佳位置;張鵬鵬[5]就沿空掘進(jìn)時(shí)間問題作了初步探討,得出為保證沿空巷道穩(wěn)定,沿空掘巷時(shí)間必須滯后于相鄰采空區(qū)穩(wěn)定期,而“滯后”值應(yīng)根據(jù)工作面的地質(zhì)及技術(shù)條件具體確定;一些學(xué)者[6-8]通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的方法來確定小煤柱的寬度,盡管方法不一,但都保證了沿空巷道的安全與穩(wěn)定;另一些學(xué)者[9-12]在現(xiàn)場進(jìn)行了大量的實(shí)測和研究,得出巷道礦壓監(jiān)測一方面能檢測出小煤柱留設(shè)及巷道支護(hù)中存在的問題,另一方面能直接判斷沿空掘巷是否適宜現(xiàn)場工程地質(zhì)條件。

本文以朔南礦區(qū)麻家梁礦14203-1工作面為工程背景進(jìn)行研究[13],研究成果不僅能夠確保沿空巷道的安全,還能夠緩解礦井二采區(qū)銜接緊張的局面,同時(shí)也為礦井后續(xù)實(shí)施小煤柱沿空掘巷提供理論基礎(chǔ),最終實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)。

1 工作面地質(zhì)條件

14203-1工作面位于礦井二采區(qū),北面為+665 m水平南回風(fēng)大巷,南面為實(shí)體煤,西面為14204工作面采空區(qū),2016年8月回采完畢,東面為14203輔助運(yùn)輸順槽(廢巷)與14202采空區(qū)煤柱，寬度19.5 m,工作面為孤島工作面。14203-1膠帶順槽準(zhǔn)備沿14204采空區(qū)邊緣掘進(jìn),為小煤柱沿空掘巷試驗(yàn)巷道,工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 14203-1工作面布置平面圖Fig.1 14203-1 working face layout

工作面主采煤層為二疊系山西組4號煤,埋深平均600 m,煤層厚度平均9.5 m,為特厚煤層,傾角平均3°,頂?shù)装宓膸r性如圖2所示,該工作面采用走向長壁綜采放頂煤采煤法,采用全部垮落法管理頂板。

圖2 14203-1工作面鉆孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of 14203-1 working face

2 礦壓觀測

2.1 測點(diǎn)布置

為監(jiān)測工作面回采期間超前支承壓力和采空區(qū)固定支承壓力演化規(guī)律[14],14201工作面回采期間，在14202工作面輔運(yùn)順槽側(cè)區(qū)段煤柱和頂板中布置ZKGY-B型鉆孔應(yīng)力檢測儀。其中,區(qū)段煤柱中的應(yīng)力檢測儀監(jiān)測超前支承壓力演化規(guī)律,測點(diǎn)布置如圖3(a)所示;頂板中的應(yīng)力檢測儀監(jiān)測采空區(qū)固定支承壓力演化規(guī)律,在巷道頂板同一高度的堅(jiān)硬巖層中均勻布置一定數(shù)量的鉆孔應(yīng)力檢測儀,每個(gè)檢測儀距離采空區(qū)的側(cè)向距離各不相同,通過對不同時(shí)段各個(gè)儀器的巡回?cái)?shù)據(jù)采集,測點(diǎn)布置如圖3(b)所示。

2.2 超前支承壓力監(jiān)測分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況和數(shù)據(jù)分析結(jié)果,本文以測點(diǎn)3所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,壓力變化曲線如圖4所示，重點(diǎn)研究工作面后方上覆巖層垮落穩(wěn)定后的影響范圍。從圖4可知,14201工作面后方的影響范圍一直持續(xù)到工作面后200 m左右,最大壓力升高值超過25 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。從影響范圍和強(qiáng)度兩個(gè)角度可以說明工作面后方巖層壓力具有強(qiáng)度大和范圍廣的特點(diǎn)。

(a)區(qū)段煤柱中的應(yīng)力檢測儀監(jiān)測布置

圖4 測點(diǎn)3鉆孔壓力連續(xù)記錄儀監(jiān)測曲線Fig.4 Monitoring curve of borehole pressure continuous recorder at measuring point 3

對各測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合得到固定支承壓力的最終穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 固定支承應(yīng)力的穩(wěn)定分布狀態(tài)Fig.5 Stable distribution of fixed bearing stress

從圖中可以看出,14201工作面采空區(qū)固定支承壓力降低區(qū)的范圍大約為10 m左右(原巖應(yīng)力值為15 MPa)。

3 沿空掘巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定

如果小煤柱沿空巷道與相鄰采空區(qū)煤柱寬度小,且煤柱為塑性煤柱,承載能力弱,當(dāng)相鄰采空區(qū)頂板垮落不充分時(shí),堅(jiān)硬頂板破斷產(chǎn)生的能量足夠破壞掘進(jìn)巷道。因此,沿空掘巷必須在相鄰采空區(qū)垮落穩(wěn)定后掘進(jìn),嚴(yán)禁對采對掘。

工作面回采后,巖層移動(dòng)由下向上發(fā)展，并逐步發(fā)育到地表[15],地表沉降穩(wěn)定滯后于巷道上覆巖層垮落穩(wěn)定,由于沿空巷道掘進(jìn)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)間不易測定,可通過地表沉降穩(wěn)定時(shí)間近似得出。

3.1 沿空掘巷時(shí)間的確定

中國礦業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在14202工作面地表進(jìn)行了沉降觀測,沿工作面走向方向布置了兩條測線A1和A2,沿傾斜方向布置一條測線B。A1測線控制點(diǎn)4個(gè),測點(diǎn)63個(gè)；A2測線控制點(diǎn)4個(gè),測點(diǎn)63個(gè)；B測線控制點(diǎn)4個(gè),測點(diǎn)129個(gè)。主要分為全面觀測、巡視觀測和日常觀測。地表測站布置平面圖如圖6所示。

通過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),B47號測點(diǎn)是監(jiān)測的關(guān)鍵測點(diǎn)。該點(diǎn)移動(dòng)介于2015年4月24日至2015年10月9日(2015年4月24日,工作面距該測點(diǎn)水平距離140 m;2015年10月9日,工作面推過測點(diǎn)水平距離353 m),活躍期168 d。按插值法進(jìn)行計(jì)算,初始期介于2015年3月10日至2015年5月9日(3月10日前的下沉可認(rèn)為是由14201面的殘余沉降引起),初始期僅60 d;衰退期介于2015年10月9日至2016年3月21日,衰退期161 d。由此可以推定,地表變形的周期為12個(gè)月。

圖6 14202工作面地表移動(dòng)觀測站布置圖Fig.6 Layout of surface mobile observation station of 14202 working face

根據(jù)現(xiàn)場采動(dòng)支承壓力監(jiān)測可知，端部結(jié)構(gòu)破斷運(yùn)移的發(fā)生滯后工作面200 m(1個(gè)月),而地表觀測裂隙發(fā)育至地表滯后12個(gè)月,說明端部覆巖從破斷至穩(wěn)定大概需要11個(gè)月的時(shí)間。因此,可判定14203-1工作面小煤柱沿空掘巷時(shí)間應(yīng)滯后14204采空區(qū)回采完畢后11個(gè)月。

3.2 沿空掘巷小煤柱尺寸的確定

小煤柱沿空掘巷必須布置在相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力的降低區(qū)范圍內(nèi),要想得出小煤柱尺寸,必須分析相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布曲線,而工作面端部結(jié)構(gòu)又是決定側(cè)向支承應(yīng)力分布的關(guān)鍵性因素。

3.2.1端部結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)巖層移動(dòng)和地表沉降提出“三角形滑移區(qū)”端部結(jié)構(gòu),結(jié)合鉆孔柱狀，繪制出端部結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示。

圖7 工作面端部結(jié)構(gòu)及側(cè)向支承壓力分布Fig.7 End structure and lateral bearing pressure distribution

工作面采出空間大,低位關(guān)鍵層在采空區(qū)垮落后與已破斷的巖體失去力的聯(lián)系,不能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而是以懸臂梁結(jié)構(gòu)存在,上位關(guān)鍵層破斷形成砌體梁結(jié)構(gòu)。“三角形滑移區(qū)”上限以砌體梁結(jié)構(gòu)為界,左右以巖層垮落角和巖層移動(dòng)角為界。隨著采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)間增大,采空區(qū)內(nèi)不規(guī)則垮落帶巖石的碎脹系數(shù)變小,碎脹系數(shù)的改變使“三角形滑移區(qū)”向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉,其垂直載荷由采空區(qū)的力與下方煤巖體共同承擔(dān),進(jìn)而使煤柱上方的應(yīng)力變小。

相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力曲線分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)三個(gè)部分,其中應(yīng)力降低區(qū)范圍由巖層移動(dòng)角與砌體梁高度共同確定。

3.2.2應(yīng)力降低區(qū)范圍確定

1)理論計(jì)算。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論,結(jié)合工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件,推導(dǎo)計(jì)算14204工作面回采后側(cè)向支承壓力分布情況[16],其力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型Fig.8 Computational mechanics model of plastic zone width of coal pillars

對于近水平煤層,煤層傾角接近于0°,求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程及邊界條件可得極限平衡區(qū)寬度為:

(1)

式中:h為煤層開采厚度,m;β為側(cè)壓系數(shù);φ0為煤層界面內(nèi)的內(nèi)摩擦角,取28°;C0為煤層界面中的黏聚力,取2 MPa;px為采空區(qū)對煤柱的側(cè)向約束力,MPa,取0。

φ0和C0根據(jù)工程類比得出,β值根據(jù)式(2)計(jì)算求得。

(2)

式中:β為側(cè)壓系數(shù);σmax為最大水平主應(yīng)力,MPa;σmin為最小水平主應(yīng)力,MPa;σv為垂直應(yīng)力,MPa。

根據(jù)工作面周邊現(xiàn)場兩個(gè)原巖應(yīng)力測試點(diǎn),第一測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為22.50 MPa,最小水平主應(yīng)力為11.60 MPa,垂直應(yīng)力為15.78 MPa;第二測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為26.26 MPa,最小水平主應(yīng)力為13.39 MPa,垂直應(yīng)力為15.80 MPa。代入式(2)得出β1=1.08,β2=1.25。

令σy=15 MPa(原巖垂直應(yīng)力,工作面平均埋深600 m),可計(jì)算不同側(cè)壓系數(shù)下工作面煤厚平均為9.5 m時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍,如圖9所示。結(jié)合理論計(jì)算可以看出,應(yīng)力降低區(qū)范圍為10.6～12.2 m。

2)數(shù)值模擬。采用FLAC3D有限元計(jì)算軟件對14204工作面回采完畢后側(cè)向支承壓力分布進(jìn)行模擬,模型共劃分24 000個(gè)單元,模型尺寸為600 m×100 m;邊界條件方面,在模型底部固定縱向位移,兩邊固定橫向位移。模型中加入分界面模擬采空區(qū)垮落后頂板與底板的接觸情況。在頂部施加14.36 MPa布置如圖10所示。工作面開挖后側(cè)向支承應(yīng)力分布云圖如圖11所示。各巖層主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖9 不同開采厚度時(shí)側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)距離Fig.9 Distance of lateral bearing pressure reduction zone at different mining thickness

圖10 工作面位置及測線布置示意圖Fig.10 Working face position and measuring line layout

圖11 工作面開挖后側(cè)向支承應(yīng)力分布云圖Fig.11 Cloud map of lateral bearing pressure distribution after the excavation of working face

表1 各巖層主要力學(xué)參數(shù)Table 1 Main mechanical parameters of rock strata

14204工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布曲線如圖12所示。由圖可知,側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)范圍約為0～12 m。

圖12 側(cè)向支承壓力分布Fig.12 Lateral bearing pressure distribution

3.3 小煤柱尺寸確定

通過現(xiàn)場工程類比、理論計(jì)算和數(shù)值模擬可以得出14204工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)的范圍為10.0～12.2 m。14203-1膠帶運(yùn)輸順槽的寬度為5.5 m,為了將巷道完全布置在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi),小煤柱留設(shè)尺寸范圍應(yīng)為4.5～7.0 m,但小煤柱沿空掘巷本著“在安全的前提下,煤柱寬度越小越好”的原則,小煤柱留設(shè)的合理尺寸應(yīng)為4.5 m。

4 現(xiàn)場礦壓觀測

4.1 沿空巷道圍巖控制

14203-1沿空巷道于2017年11月進(jìn)入沿空區(qū)域,滯后14204采空區(qū)回采結(jié)束15個(gè)月。由于區(qū)段煤柱中存在14204輔運(yùn)順槽調(diào)車硐室,入深6 m,為防止巷道掘進(jìn)期間與調(diào)車硐室溝通,引起水和瓦斯等安全事故,特將小煤柱寬度留設(shè)為7 m。

對14203-1沿空巷道進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì),巷道斷面為矩形,高3 800 mm,寬5 500 mm,掘進(jìn)斷面20.9 m2。為了在巷道圍巖深部形成大范圍連續(xù)承載結(jié)構(gòu),小煤柱沿空巷道采用“‘錨桿+W鋼帶’+‘錨索+JW鋼帶’+組合錨索+金屬網(wǎng)+噴漿”全封閉的錨網(wǎng)索耦合支護(hù)對策,同時(shí)對巷道底板進(jìn)行硬化,14203-1膠帶運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面如圖13所示。

圖13 14203-1膠帶順槽支護(hù)斷面圖Fig.13 Sectional view of belt conveyor support in 14203-1 gateway

4.2 沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

圍巖變形是衡量巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈程度的重要指標(biāo)[17]。14203-1孤島工作面掘采期間采用十字布點(diǎn)法對巷道表面位移進(jìn)行監(jiān)測,掘進(jìn)期間巷道圍巖變形規(guī)律如圖14所示。

圖14 14203-1膠帶順槽圍巖變形曲線Fig.14 Surrounding rock deformation curves of belt conveyor in 14203-1 gateway

監(jiān)測結(jié)果表明,巷道從掘進(jìn)擾動(dòng)到穩(wěn)定,兩幫最大移近量為530 mm,其中煤柱幫移近317 mm,采煤幫移近213 mm;頂?shù)装遄畲笠平繛?51 mm,其中頂板下沉220 mm,底臌131 mm。

由于7 m小煤柱未讓巷道完全處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),回采期間由于動(dòng)壓影響,局部礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,現(xiàn)場采取大直徑卸壓鉆孔、卸壓槽等卸壓措施和木垛被動(dòng)支護(hù),施工完成后,14203-1膠帶順槽兩幫移近量為500 mm,頂板移近量為800 mm。

5 結(jié)論

1)類似14203-1工作面條件的二采區(qū)小煤柱沿空掘巷合理時(shí)間應(yīng)滯后上區(qū)段工作面回采完畢11個(gè)月;現(xiàn)場工程類比得出14204工作面壓力降低區(qū)范圍為10 m,利用彈塑性力學(xué)理論計(jì)算壓力降低區(qū)范圍為10.6～12.2 m,采用數(shù)值模擬得出應(yīng)力降低區(qū)范圍為12 m,三者有較好的一致性。

2)現(xiàn)場實(shí)測小煤柱寬度為7 m時(shí),掘進(jìn)期間兩幫位移量為530 mm,頂?shù)装逦灰屏繛?51 mm;回采期間兩幫圍巖量為500 mm,頂?shù)装逦灰屏繛?00 mm,沿空巷道在錨網(wǎng)索耦合支護(hù)下,能夠有效控制巷道圍巖變形。

3)由于麻家梁礦4號煤層工作面順槽的寬度為5.0 m/5.5 m,為了使沿空巷道完全處在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi),沿空巷道寬度與小煤柱尺寸之和必須小于10 m,因此對于朔南礦區(qū)內(nèi)類似條件的巷道來說,沿空掘巷小煤柱的合理尺寸應(yīng)為4.5 m。