孫殿宇

（晉能控股煤業(yè)集團潞安煤炭事業(yè)部，山西 長治 047500）

0 引 言

隨著煤礦機械化智能化程度的不斷提高和井下設(shè)備的持續(xù)升級，我國大部分煤礦開采強度不斷提升，受煤層賦存不穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育影響的礦井與日俱增。同發(fā)東周窯礦地質(zhì)條件復(fù)雜，且采煤工作面之間普遍留設(shè)寬煤柱，在強動壓及高靜壓應(yīng)力環(huán)境下，出現(xiàn)回采巷道片幫、底鼓嚴重，巷道掘進效率低、返修成本大，嚴重制約了工作面的安全高效回采，并且留設(shè)寬煤柱造成煤炭資源利用不充分[1-2]。因此，高強度開采條件下的強礦壓治理與小煤柱沿空掘巷成為目前礦井亟待解決的技術(shù)難題。

1 工程概況

1.1 礦井概況

同發(fā)東周窯井田位于山西省左云縣，井田面積101 km2，礦井生產(chǎn)能力1 000 萬t/a，礦井服務(wù)年限為65 a?？刹擅簩佑猩?、5、8-1、8-2 號，煤質(zhì)以長焰煤為主。井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水文類型為中等。目前主要開采煤層為山4 號層、C5 號層。

礦井原工作面之間均留設(shè)30 m 寬煤柱，新布置8103 工作面計劃留設(shè)小煤柱，進行沿空掘巷，通過優(yōu)化煤柱寬度，降低回采巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，減小巷道變形。

1.2 工作面復(fù)雜地質(zhì)條件特征

8103 工作面位于山西組4 號一盤區(qū)，北部為山4 號層一盤區(qū)3 條采區(qū)巷道，西部為山4 號層一盤區(qū)8102 工作面采空區(qū)，南部及東部均為實煤區(qū)。

工作面采掘過程中將受17 條斷層影響，對工作面生產(chǎn)以及巷道的維護狀況影響較大；且該區(qū)域煌斑巖侵入煤層，煌斑巖厚度不穩(wěn)定；工作面煤層厚度為4.12～10.3 m，厚度變化較大，且含有多層夾矸，夾矸賦存不穩(wěn)定；相鄰工作面留設(shè)多個硐室，對煤柱寬度留設(shè)造成影響。因此，工作總體條件復(fù)雜。

2 沿空掘巷煤柱寬度研究

2.1 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布理論分析

結(jié)合東周窯礦8103 工作面現(xiàn)場情況，以彈塑性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，推導(dǎo)得出工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布規(guī)律，為工作面小煤柱沿空掘巷的合理煤柱寬度留設(shè)提供理論基礎(chǔ)[3]。

對于近水平煤層，支承壓力峰值到邊界距離為

式中：M為煤層開采厚度，m；β為側(cè)壓系數(shù)；φ0為內(nèi)摩擦角，可取值28°；C0為煤層界面中的黏聚力，可取值2 MPa；Px為采空區(qū)對煤柱的支護阻力，可取值0。

式中：β為側(cè)壓系數(shù)；σ為最大σH水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂直應(yīng)力，MPa，取11.9 MPa。

參考東周窯礦相關(guān)地質(zhì)資料，綜合考慮各項影響因素，令β1=1.5，β2=0.9，σy=11.9 MPa（原巖垂直應(yīng)力），可計算不同側(cè)壓系數(shù)下煤厚分別為4 、5 、6、7、8 m 時的應(yīng)力降低區(qū)范圍，如圖1 所示。

圖1 不同采厚側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)范圍

由圖1 可知，當側(cè)壓系數(shù)β=1.5，工作面開采厚度為4 、5 、6 、7 、8 m 時的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為5.35、6.69、8.03、9.36、10.70 m；當側(cè)壓系數(shù)β=0.9，開采厚度為4、5、6、7、8 m 時的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為3.21、4.01、4.82、5.62、6.42 m。隨著工作面煤層開采厚度的增大，工作面?zhèn)认驂毫Ψ逯迪驅(qū)嶓w煤內(nèi)部移動。8103 工作面煤層開采厚度平均為6.63 m，應(yīng)力降低區(qū)范圍為5.32～8.87 m。

2.2 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布數(shù)值模擬

根據(jù)J27 鉆孔的柱狀圖，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，按照東周窯礦的物理力學(xué)參數(shù)建立如圖2 的數(shù)值模擬模型。根據(jù)鉆孔柱狀圖的信息，本次模型的巖層共分為12 層。模型范圍設(shè)置為500 m×200 m（X×Z），左右兩側(cè)對x 方向位移進行約束，前后對y 方向位移進行約束，下部對z 方向位移進行約束，上部施加載荷模擬上覆巖層容重。沿8102 工作面煤層頂板右側(cè)設(shè)1 條監(jiān)測線，用以測定側(cè)向支承壓力。

圖2 8102 工作面數(shù)值計算模型

根據(jù)東周窯礦物理力學(xué)參數(shù)結(jié)果，模擬中的物理力學(xué)參數(shù)見表1：

表1 物理力學(xué)參數(shù)匯總表

首先對8102 工作面進行回采，待工作面穩(wěn)定后記錄采空區(qū)右側(cè)的側(cè)向支承壓力數(shù)值。工作面回采穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖3 垂直應(yīng)力分布云圖

由圖3 可知，數(shù)值模型計算平衡后，在采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最靠近采空區(qū)邊緣處出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。因此，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)將會有效改善巷道的應(yīng)力環(huán)境。8102 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖

由圖4 可以得出，山西組4 號煤層原巖應(yīng)力為11.9 MPa，8102 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后所產(chǎn)生的應(yīng)力降低區(qū)范圍為8 m，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣14 m 處，應(yīng)力峰值大小為21.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.76。

2.3 合理煤柱留設(shè)寬度的確定

基于以上分析，小煤柱留設(shè)寬度應(yīng)在5.32～8 m之間。需在該煤柱留設(shè)區(qū)間內(nèi)找出最佳煤柱留設(shè)寬度。以下基于上述模型進一步進行計算，研究留設(shè)6、7 、8m 不同寬度煤柱條件下巷道變形情況，從而得到最佳方案。模擬方案示意圖如圖5 所示。

圖5 不同煤柱留設(shè)寬度模擬方案示意圖

留設(shè)6 、7 、8 m 煤柱時的巷道變形及圍巖應(yīng)力分布見表2 和表3。由表可知，留設(shè)6 m 煤柱時巷道變形量及圍巖應(yīng)力峰值明顯降低。普遍較留設(shè)7 m及8 m 煤柱時減小了一個數(shù)量級。

表2 巷道變形量對比表

表3 巷道圍巖應(yīng)力對比表

基于上述分析，針對同發(fā)東周窯礦5103 巷的地質(zhì)條件下，考慮到支護條件、煤柱的隔絕性能以及巷道的應(yīng)力環(huán)境和變形量，5103 巷區(qū)段煤柱的合理留設(shè)寬度應(yīng)為6 m。

3 支護效果觀測及分析

3.1 小煤柱側(cè)內(nèi)部裂隙發(fā)育狀況分析

根據(jù)之前所述，小煤柱巷道整體處于采空區(qū)邊緣的塑性煤體中，從而使應(yīng)力狀態(tài)得到有效降低[4-5]。因此，為明確煤柱中的裂隙發(fā)育情況，通過鉆孔窺視的方法對新掘5103 小煤柱巷道進行窺視，以觀察本次5103 巷小煤柱的完整程度。分別在正巷的50、100 、200 、250 、300 、350 m 處進行觀測。窺視結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鉆孔窺視煤體裂隙圖

窺視結(jié)果可得，在1.5 m 范圍內(nèi)小煤柱巷道受到掘進影響裂隙發(fā)育程度較高，破碎程度較大；在1.5～2.5 m 范圍內(nèi)煤體仍存在一定裂隙但有明顯改善；在2.5～4.5 m 范圍內(nèi)煤體較為完整，但局部也存在一定的破碎情況；在4.5～5 m 范圍內(nèi)再次出現(xiàn)煤體破碎情況?？紤]到避免與采空區(qū)打通，因此推測直至6 m 煤體均為比較破碎狀態(tài)。隨后對窺視孔進行了注漿封孔，避免出現(xiàn)氣體導(dǎo)通現(xiàn)象。

3.2 回采期間巷道支護效果觀測分析

在5103 風(fēng)巷內(nèi)布置共2 個測站（測站A、B），觀測目的為對比斷層影響區(qū)及正常沿空掘巷階段的巷道變形情況。經(jīng)觀測，5103 小煤柱巷道在掘進期間的初步穩(wěn)定期約為13 d，且由于處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，巷道的整體變形量不大，錨桿索支護可以有效發(fā)揮作用，巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此主要分析回采期間巷道變形。

回采期間的巷道變形觀測在保留掘進期間的測站基礎(chǔ)上，設(shè)置一位于工作面切眼前方300 m 的C測站，以觀測工作面回采初期的巷道變形情況。C 測站同樣有3 個測點，分別表示為C1、C2、C3，距切眼距離分別為56、60、65 m。共觀測20 d。C1、C2、C3測點巷道兩幫、巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

由于C 測站位于工作面初采階段，因此可以通過該測站初步判斷8103 工作面的初次來壓情況。曲線中顯示，巷道兩幫的最終變形量為354、189 、163 mm，平均約為235 mm；巷道頂?shù)装宓淖罱K變形量為102 、99 、85 mm，平均約為95 mm。從變形情況來看，C 測站顯示的工作面超前支承壓力影響范圍約為60 m。支承壓力較小、巷道圍巖變形得到有效控制，表明煤柱留設(shè)寬度合理，保證了工作面正常掘進和回采。

圖7 C 測站巷道移近量變化曲線

4 結(jié) 論

1）基于彈塑性理論建立了復(fù)雜條件下沿空巷道力學(xué)分析模型。計算得出8103 工作面應(yīng)力降低區(qū)理論范圍為5.32～8.87 m，采用Flac3D對不同側(cè)壓系數(shù)條件下留設(shè)4～8 m 寬度煤柱時進行數(shù)值模擬計算，得出應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣14 m 的位置，應(yīng)力峰值大小為21.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.76。綜合考慮煤柱隔絕性、承載性以及巷道的應(yīng)力環(huán)境初步確定留設(shè)6 m 煤柱。

2）在5103 巷進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，通過巷道礦壓觀測表明，回采期間巷道兩幫最大移近量355 mm，頂?shù)装遄畲笠平?35 mm，巷道圍巖變形得到有效控制，保證了工作面正常掘進和回采。