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        大同煤田特厚煤層小煤柱開采研究與應(yīng)用

        2021-12-17 06:04:02趙科研
        2021年12期
        關(guān)鍵詞:圍巖

        趙科研

        (馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 大同 037100)

        大同礦區(qū)內(nèi)大部分礦井現(xiàn)主采C3-5號特厚煤層,煤層厚度14~17 m,頂板為堅硬頂板,設(shè)計開采方法為綜放開采,原初設(shè)工作面區(qū)段煤柱為30 m,在回采過程中發(fā)現(xiàn)鄰空巷道壓力顯現(xiàn)劇烈,巷道變形嚴(yán)重,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。目前國內(nèi)對小煤柱開采技術(shù)已經(jīng)有了一定的研究,并在小煤柱特厚煤層開采方面進(jìn)行了一些試驗和應(yīng)用[1-5],其原理是將鄰空巷道布置在應(yīng)力影響較小的區(qū)域內(nèi),從而緩解巷道變形,保障安全生產(chǎn),提高資源回收率。因此決定從優(yōu)化區(qū)段煤柱入手,采用小煤柱開采技術(shù),但是考慮到煤層賦存的地質(zhì)條件不同,現(xiàn)有經(jīng)驗不能生搬硬套,因此需要結(jié)合實際情況進(jìn)行針對性研究與應(yīng)用。

        1 工程背景

        馬道頭煤業(yè)是年產(chǎn)1 000萬t的特大型礦井,位于大同煤田西部,礦井采用斜井開拓,主采煤層為C3-5號特厚煤層,開采方法為綜放開采。文章以該礦8211綜放工作面為例,該工作面埋深238 m,傾向252 m(原設(shè)計為230 m),可采走向2 001 m,平均煤厚15 m,老頂為14.5 m厚中細(xì)砂巖,直接頂為7.2 m厚粗砂巖,偽頂及直接底為0.7 m左右厚泥巖、炭質(zhì)泥巖,底板為4.3 m厚粉砂巖。5211巷為8211工作面區(qū)段回風(fēng)巷,與8210工作面采空區(qū)相鄰。巷道斷面為5.2 m×3.7 m,支護(hù)方式采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+鋼帶”聯(lián)合支護(hù)方式,文章以5211巷為研究對象,重點研究區(qū)段煤柱的合理確定,并對巷道在回采過程中進(jìn)行礦壓觀測與分析,工作面示意見圖1。

        圖1 8211工作面位置示意

        2 區(qū)段小煤柱的確定

        該次在5211巷選用小煤柱進(jìn)行試驗,首先通過數(shù)值模擬科學(xué)合理確定煤柱的寬度,基于工作面各參數(shù)建立了三維數(shù)值模擬模型,X軸方向為工作面傾向,Y軸方向為工作面推進(jìn)方向,Z軸垂直向上。按照現(xiàn)場實測的支承壓力影響范圍確定計算模型邊界:X取100 m,Y取50 m,Z取80 m,面間煤柱取70 m,模型見圖2。煤巖體采用摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則,上邊界被施以均布載荷,計算模型尺寸為100 m×50 m×80 m。

        圖2 工作面數(shù)值模擬模型

        數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)煤柱寬度在12~30 m時,巷道圍巖的穩(wěn)定性差,圍巖應(yīng)力高,巷道發(fā)生持續(xù)大變形;當(dāng)煤柱寬度在8~12 m時,巷道圍巖的穩(wěn)定性好,圍巖應(yīng)力中等,巷道發(fā)生中等變形;當(dāng)煤柱寬度在5~8 m時,巷道圍巖的穩(wěn)定性差,雖然圍巖應(yīng)力較低,但巷道變形嚴(yán)重。因此將煤柱選在8~12 m范圍時巷道變形較小,特別是當(dāng)煤柱寬度8 m時,巷道變形量最小,所以確定試驗煤柱為8 m。

        3 沿空巷道礦壓觀測

        為驗證小實施煤柱效果,對回采期間的小煤柱巷道變形進(jìn)行了觀測,具體如下。

        3.1 圍巖松動圈觀測

        工作面回采過程中,在巷道距工作面50 m(1號)、100 m (2號)和200 m (3號)布置3個測站進(jìn)行鉆孔窺視來確定圍巖松動圈范圍,見表1。

        表1 圍巖松動圈范圍

        由表1可知,5211巷頂板不同位置松動圈范圍有所不同,靠煤柱幫側(cè)頂板松動圈范圍要大于靠實體煤幫側(cè)頂板,但差距并不明顯,裂隙發(fā)育程度處于中等水平,說明頂板得到了較好的控制;實體煤幫松動圈范圍明顯大于頂板,該區(qū)域應(yīng)力集中程度高,對采動影響的敏感度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于頂板。

        3.2 沿空巷道圍巖支承壓力測定

        該次采用YHY30礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器測量煤層內(nèi)支承應(yīng)力變化,該儀器采用紅外通訊方式,將數(shù)據(jù)采集到FCH64/2礦用本安型手持采集器,由采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測,完成對沿空巷道側(cè)向支承壓力應(yīng)力場變化的監(jiān)測。在5211巷內(nèi)兩幫施工16個鉆孔埋設(shè)鉆孔應(yīng)力傳感器,實體煤側(cè)鉆孔應(yīng)力傳感器布置深度分別為1 m、5 m、9 m、13 m、17 m、21 m、25 m、29 m、33 m,煤柱側(cè)應(yīng)力傳感器布置深度分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m。通過對5211回風(fēng)巷道煤柱與實體煤層支承壓力大小的觀測確定特厚煤層側(cè)向支承壓力大小。鉆孔應(yīng)力傳感器布置示意如圖3。

        圖3 鉆孔應(yīng)力傳感器布置示意(m)

        回采期間,隨8211工作面推進(jìn)沿空巷道側(cè)向支承壓力的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示,支承壓力演化規(guī)律如下:

        圖4 沿空巷道側(cè)向支承壓力演化規(guī)律

        可以看出,工作面距離監(jiān)測站點100 m時,煤柱上方支承壓力峰值偏向8 m煤柱中軸巷道側(cè)1 m位置,峰值最大時5 MPa,說明煤柱中部煤體承載能力相較于其他兩側(cè)煤體較高。而實體煤側(cè)支承壓力峰值位于離巷道實體煤壁25 m位置,數(shù)值為15.8 MPa。實體煤層支承壓力峰值及升高范圍遠(yuǎn)大于煤柱上方,說明實體幫側(cè)煤體相對較為完整,承載能力更強(qiáng)。工作面距離監(jiān)測站點80 m時,煤柱側(cè)支承壓力增加幅度微弱,而實體煤側(cè)支承壓力峰值相較于100 m測站增大約2 MPa,峰值位置未發(fā)生改變。工作面推進(jìn)至距離監(jiān)測站點60 m和40 m位置時,8 m煤柱因其經(jīng)歷多次采動影響,承載能力弱,因此支承壓力峰值仍處于6.3 MPa和7.5 MPa較小數(shù)值,而實體煤側(cè)應(yīng)力峰值向?qū)嶓w煤壁側(cè)內(nèi)移動5 m,并且峰值分別為21.8 MPa和23.5 MPa,應(yīng)力峰值相較于100 m位置測站實體煤幫增加6.0 MPa和7.7 MPa。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是工作面超前支承壓力與采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加,實體煤幫支承壓力呈現(xiàn)大幅增大,并且因?qū)嶓w煤進(jìn)一步破壞導(dǎo)致支承壓力峰值向?qū)嶓w煤內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

        4 結(jié) 語

        1) 數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,8 m區(qū)段小煤柱較30 m區(qū)段大煤柱,巷道在回采過程中變形量大大減小。

        2) 巷道圍巖松動圈觀測結(jié)果表明,8 m小煤柱對支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了很好的控制效果,頂板與兩幫煤體裂隙發(fā)育程度控制在中等以內(nèi)。

        3) 支承壓力測定結(jié)果表明,8 m小煤柱沿空煤巷的布置合理,支承應(yīng)力在煤柱側(cè)及巷道附近巖層較小,使得巷道處于低應(yīng)力環(huán)境,有利保證沿空煤巷的穩(wěn)定性。

        4) 應(yīng)用小煤柱后,煤炭資源回收率提升顯著,8 m小煤柱較原有30 m大煤柱可增加工作面傾向長度22 m,按工作面推進(jìn)長度2 001 m,煤的容重1.45 t/m3,煤層平均厚度15 m計算,可多采出煤炭約96萬t,技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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