大采高工作面小煤柱留設(shè)及巷道支護技術(shù)研究

侯大海

(陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司， 陜西 榆林市 719000)

0 引言

留設(shè)煤柱是我國煤礦中常用的護巷方法，護巷煤柱寬度過大會造成煤炭資源浪費，護巷煤柱過小則不能起到保證巷道穩(wěn)定的作用。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，但小煤柱留設(shè)帶來巷道設(shè)計、支護以及維修等一系列難題[1-5]。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于在小煤柱下的巷道支護進行了大量研究。梁華杰等[6]分析了近距離煤層開采巷道布置的合理性，揭示了巷道布置與煤柱寬度耦合關(guān)系。趙明洲等[7]針對大厚度薄層復(fù)合頂板煤巷劇烈變形問題，提出了“高強聯(lián)合支護技術(shù)”。諸多研究者多基于留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性，對區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸的問題進行了詳細的研究與探討，并取得了一定的研究成果，但針對特定條件下，大采高綜采工作面區(qū)段煤柱合理尺寸的問題卻鮮有研究，本文以長平礦大采高綜采工作面為研究對象，從區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律、受力變形過程、護巷方式等多角度展開分析，針對礦井巷道小煤柱留設(shè)尺寸以及巷道支護相關(guān)問題，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場檢測等方法進行研究，確定了巷道支護方案。

1 工程背景

長平煤礦位于沁水煤田南部，可采煤層為3#煤層，煤層平均厚度為5.84 m，直接頂為泥巖，平均厚度9.89 m，直接底為砂紙泥巖，平均厚度4.13 m，老底為K6細粒砂巖，平均厚度3.15 m，礦井工作面采用多巷布置，巷間留設(shè)煤柱在40 m～60 m的范圍內(nèi)，回采巷道沿煤層底板掘進，4305工作面布置如圖1所示。

目前，長平煤礦在生產(chǎn)實踐中存在以下問題：

（1）護巷煤柱尺寸留設(shè)較大，導(dǎo)致大量煤炭資源不能得到有效回收，造成資源浪費；

（2）圍巖穩(wěn)定性較差，隨著工作面的推進，圍巖變形破壞嚴(yán)重，巷道頂板及兩幫變形量較大，部分區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)局部冒落的現(xiàn)象，巷道返修量大，給安全施工帶來了嚴(yán)重威脅。

2 煤柱合理尺寸研究

2.1 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

煤層開挖打破了煤巖層初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，改變了圍巖三維應(yīng)力場分布，造成煤柱上載荷集中[8]，易使煤柱出現(xiàn)“破裂-塑性-彈性”的明顯分區(qū)，護巷煤柱鉛直應(yīng)力以及彈塑性變形區(qū)域的分布情況如圖2所示。根據(jù)極限平衡理論可以確定護巷煤柱邊緣與煤柱支承壓力峰值的水平距離x0，其計算公式如式（1）所示。

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)；p1為支架對煤幫的阻力；m為煤層開采厚度；C為煤體的黏聚力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面之間的摩擦系數(shù)；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，。

通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析與整理，可以確定出x0的取值范圍在3 m～20 m之間，x0數(shù)值的集中范圍在5 m～12 m之間，護巷煤柱上應(yīng)力降低區(qū)的變化范圍在2 m～7 m之間，受到工作面采高、煤柱寬度以及煤層埋深等諸多因素的影響，煤柱應(yīng)力集中狀態(tài)主要呈現(xiàn)出3種形式。

圖1 4305工作面布置

圖2 護巷煤柱豎向應(yīng)力以及彈塑性變形區(qū)域分布

當(dāng)護巷煤柱寬度B＞2L（極限平衡寬度）時，煤柱上覆載荷會均勻地分布在煤柱中央，載荷大小為原巖應(yīng)力γH，在護巷煤柱邊緣，煤柱應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，從護巷煤柱邊緣至煤柱中央，應(yīng)力分布區(qū)域依次為破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)[9-11]，B＞2L條件下的煤柱堅向應(yīng)力分布如圖3所示。

當(dāng)護巷煤柱寬度符合2L＞B＞L時，煤柱上覆載荷在中央集中，煤柱中央載荷大于原巖應(yīng)力γH，在沿煤柱寬度的方向，豎向應(yīng)力呈馬鞍形分布，2L＞B＞L時，煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布如圖4所示。

當(dāng)護巷煤柱寬度B＜L時，煤柱兩側(cè)邊緣的支承壓力同時向煤柱中央傳遞，在支承應(yīng)力的疊加效應(yīng)下，煤柱中央的載荷迅速增大，載荷遠大于原巖應(yīng)力γH，B＜L條件下的煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布情況如圖5所示。

圖3 B＞2L下煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布

圖4 2L＞B＞L下煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布

圖5 B＜L下煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布

2.2 工作面支承壓力分布

工作面護巷煤柱側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律是確定護巷煤柱留設(shè)方式以及留設(shè)尺寸的重要參照，為確定長平煤礦 4305綜采工作面的合理護巷煤柱尺寸，對工作面43051巷、43052巷之間的16#橫穿進行了側(cè)向支承壓力的現(xiàn)場測試。

選用KSE—Ⅲ型鋼弦壓力記錄儀、采集儀作為觀測設(shè)備，對長平煤礦 4305綜采工作面在回采過程中引起的側(cè)向支承壓力進行觀測，壓力記錄儀布置區(qū)域如圖6所示。

對觀測區(qū)域的煤柱應(yīng)力變化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及處理，可得到護巷煤柱橫向應(yīng)力的分布規(guī)律，如圖7所示。

圖6 壓力記錄儀測區(qū)布置區(qū)域

圖7 煤柱橫向應(yīng)力分布規(guī)律

通過圖6可以看出，煤柱應(yīng)力的變化情況受工作面采動影響較大，采動影響范圍在75 m左右?？偟膩碚f，護巷煤柱的應(yīng)力分布呈馬鞍形，煤柱橫向應(yīng)力的最大值位于43051巷道22.6 m處，峰值應(yīng)力約為18.12 MPa，超前支承壓力峰值點距離煤壁約11 m～29.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)最大值為1.82。巷道的最大應(yīng)力值在17.15 MPa左右，位于巷幫內(nèi)12 m處。根據(jù)煤柱支承壓力分布情況，確定護巷煤柱尺寸范圍在5.5 m～7 m。

3 巷道支護設(shè)計

3.1 巷道參數(shù)設(shè)計

長平煤礦 4305工作面采用多巷布置，巷間留設(shè)煤柱在40 m～60 m范圍內(nèi)，大寬度的煤柱造成浪費嚴(yán)重，同時巷道支護困難，返修率高，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。

根據(jù)分析計算結(jié)果，確定在 43053巷、43052巷之間留設(shè)尺寸為6 m的護巷煤柱，將43052巷作為留巷巷道，巷道兩幫、頂板的支護形式與參數(shù)設(shè)計分別如圖8、圖9所示。

圖8 兩幫支護形式（單位：mm）

圖9 頂板支護形式（單位：mm）

3.2 現(xiàn)場實驗監(jiān)測

對巷道頂?shù)装宓囊七M量進行監(jiān)測，擬在 43052巷布置3個測區(qū)進行巷道頂?shù)装逡平康臏y量，編號分別記為43052-1測區(qū)、43052-2測區(qū)、43052-3測區(qū)，各測區(qū)巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 巷道頂?shù)装逡平?/p>

監(jiān)測結(jié)果表明，在工作面未受采動影響前，礦井巷道頂?shù)装宓淖冃瘟炕拘∮?0 mm，在工作面采動過程中，巷道頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?50 mm。其中，巷道頂?shù)装遄畲笞冃挝灰瞥霈F(xiàn)在43052-2測區(qū)的1號測線上（距離切眼80 m的范圍），其他各測區(qū)的頂?shù)装逡平烤∮?50 mm。巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

4 結(jié)論

（1）護巷煤柱的合理留設(shè)寬度受開采高度以及煤層埋深的影響。隨著寬度的減小，煤柱上的應(yīng)力分布曲線形狀變化從雙駝峰形到馬鞍形再到單峰形。實測采動影響范圍在75 m左右，總的來說，護巷煤柱的應(yīng)力分布呈馬鞍形，超前支承壓力峰值點距離煤壁約11 m～29.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)最大值為1.82。

（2）通過理論分析和工程類比研究，證明在4305綜采工作面留設(shè)6.0 m護巷煤柱是可行的。監(jiān)測結(jié)果表明，在工作面未受采動影響前，礦井巷道頂?shù)装宓淖冃瘟炕拘∮?0 mm，在工作面采動過程中，巷道頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?50 mm。巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。