李 勇

(國能億利能源有限責(zé)任公司 黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

在煤炭開采過程中，通常在工作面與巷道之間留設(shè)一定寬度的煤柱，不僅用于保證工作面相鄰巷道的穩(wěn)定性，還有利于保證地面設(shè)施不受工作面開采的影響[1]。假若煤柱留設(shè)較寬，則會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，若煤柱過窄，則無法保證巷道日常生產(chǎn)的需求。因此，對(duì)于煤柱留設(shè)寬度問題值得去深入探討。郭強(qiáng)[2]、馮廷燦[3]、叢利[4]、李成海[5]等研究表明在工作面回采過程中，動(dòng)壓使得煤柱內(nèi)應(yīng)力集中，并提出對(duì)頂板進(jìn)行“鉆-切-壓”可降低煤柱應(yīng)力；朱翔斌[6]、宋志強(qiáng)[7]、陳川[8]、寧靜[9]、王琦[10]等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對(duì)煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)煤柱優(yōu)化后的巷道圍巖控制提出了加強(qiáng)對(duì)策；當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜時(shí)，煤柱內(nèi)裂隙較為發(fā)育，王春森[11]、趙毅鑫[12]、郭金帥[13]等對(duì)裂隙發(fā)育進(jìn)行了研究，將煤柱內(nèi)的裂隙劃分為裂隙擴(kuò)大、裂隙最大、裂隙減小和裂隙穩(wěn)定四個(gè)區(qū)域；周文武[14]、張江利[15]、李鑫磊[16]、趙寶峰[17]、劉少偉[18]等針對(duì)裂隙較為發(fā)育的巖層提出了注漿加固技術(shù)，并對(duì)注漿材料、注漿壓力、注漿孔的布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

以上學(xué)者對(duì)煤柱優(yōu)化以及巷道圍巖控制進(jìn)行了深入探討，并且對(duì)松軟破碎圍巖提出了注漿加固技術(shù)，卻未側(cè)重于注漿封孔技術(shù)。因此，以黃玉川礦12402工作面為研究背景，根據(jù)煤層在回采過程中側(cè)向支承壓力對(duì)相鄰巷道的穩(wěn)定性影響較弱，可知目前留設(shè)的煤柱寬度足以滿足礦井日常生產(chǎn)的需求，且部分巷道幫部煤體破碎，在進(jìn)行注漿時(shí)封孔較為困難。特此對(duì)12402工作面區(qū)段煤柱寬度尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)注漿封孔進(jìn)行深入研究。

1 12402工作面概況

黃玉川礦12402工作面位于4#煤層一水平二盤區(qū)，地面標(biāo)高+1130～+1270m，工作面標(biāo)高+993～+1008m，埋深137～262m，平均厚度為4.35m，煤層傾角0～7°，為穩(wěn)定可采煤層，直接頂為細(xì)砂巖，厚10.3m，老頂為粗砂巖，厚9.2m，直接底為砂質(zhì)泥巖，厚6.5m。

12402工作面輔運(yùn)巷道在掘進(jìn)時(shí)兼作主、輔運(yùn)輸和回風(fēng)，竣工后主要用于形成12402綜采工作面輔助運(yùn)輸需要，當(dāng)12402工作面回采完畢后，作為12403工作面回風(fēng)巷道形成新的回風(fēng)系統(tǒng)。輔運(yùn)巷道與工作面空間位置關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，12402工作面輔運(yùn)巷道與膠運(yùn)巷道之間需要留設(shè)區(qū)段煤柱，根據(jù)其他采區(qū)經(jīng)驗(yàn)擬留設(shè)煤柱寬度20m。

圖1 輔運(yùn)巷道與工作面空間位置關(guān)系

合理的煤柱寬度是減少煤炭資源浪費(fèi)的有效方法之一，為能夠準(zhǔn)確了解12402工作面輔運(yùn)巷道頂板上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)為煤柱合理尺寸的分析與數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐。因此，選取12402工作面輔運(yùn)巷道80m處進(jìn)行的煤樣選取與頂板巖芯鉆取工作。選取的煤樣和巖樣將按照《煤與巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》規(guī)程分別進(jìn)行單軸、三軸和巴西劈裂力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試件單、三軸、巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2 煤柱寬度優(yōu)化理論計(jì)算

為能夠初步確定區(qū)段煤柱的合理寬度，需明確區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布和變形破壞特征。假定12402工作面已回采完畢，此時(shí)區(qū)段煤柱的一側(cè)為12402輔運(yùn)巷道，另一側(cè)為12402采空區(qū)，數(shù)倍原巖應(yīng)力的載荷將施加于煤柱，煤柱的支承壓力分布如圖2所示。

圖2 煤柱支承壓力分布

隨著采空區(qū)頂板下沉與巷道的掘進(jìn)，導(dǎo)致煤柱在采空區(qū)和巷道的兩側(cè)在支承壓力的作用下發(fā)生裂隙擴(kuò)展，煤柱內(nèi)應(yīng)力逐步向中部偏移，當(dāng)煤柱寬度較寬時(shí)，應(yīng)力呈“雙峰”型分布于整個(gè)煤柱中，按照煤柱所受的支承壓力數(shù)值大小，將煤柱劃分為三段區(qū)域：破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)[19]。

2.1 煤柱中部彈性區(qū)寬度計(jì)算

為保證煤柱在整個(gè)巷道掘進(jìn)與采煤期間的穩(wěn)定性，需在煤柱中部保留一定寬度的彈性區(qū)域，由于煤柱所形成的支承壓力與影響范圍在采空區(qū)側(cè)要明顯大于巷道一側(cè)，故彈性區(qū)按式(1)分為兩部分進(jìn)行計(jì)算：

Lt=L1+L2

(1)

其中，采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)彈性區(qū)寬度L1、L2分別為[20]：

Li=

式(2)中，側(cè)壓系數(shù)η為：

η=μ/(1-μ)

(3)

這里α和k因子為：

式中，i取1、2；μ為泊松比，取0.202；γ為覆巖平均容重，取25kN/m3；hms為埋深，取262m(極端情況下)；h1、h2分別為煤層厚度與巷道高度，分別取4.35m、3.7m；k1、k2分別為采空區(qū)側(cè)與巷道側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)，分別取3.0、2.5；c為煤體內(nèi)聚力，取2.93MPa；φ為煤層內(nèi)摩擦角，取39.6°；η為側(cè)壓系數(shù)。

根據(jù)實(shí)測煤體泊松比μ為0.202，計(jì)算η為0.253，則原巖應(yīng)力γhms為6.55MPa，代入以上參數(shù)，求得采空區(qū)側(cè)L1和巷道側(cè)L2彈性區(qū)寬度分別為2.68m、1.65m，則12402工作面區(qū)段煤柱彈性區(qū)寬度Lt至少為4.33m。

2.2 極限平衡區(qū)寬度計(jì)算

由于煤柱兩側(cè)存在采空區(qū)和巷道，會(huì)在煤柱內(nèi)形成不同范圍的極限平衡區(qū)域，因此，在煤柱靠近采空區(qū)與巷道兩側(cè)的極限平衡區(qū)寬度Lj表示為：

Lj=L3+L4

(6)

其中，采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)形成的極限平衡區(qū)寬度L3、L4的計(jì)算公式為[21]：

式中，p為煤柱兩側(cè)所受的支護(hù)阻力，取0。

代入上述數(shù)值，求得采空區(qū)側(cè)L3和巷道側(cè)L4的極限平衡區(qū)寬度分別為1.25m、0.98m，則煤柱內(nèi)極限平衡區(qū)寬度Lj合計(jì)為2.23m。若煤柱寬度為2.23m，則煤柱兩側(cè)的應(yīng)力峰值將重合，中部無彈性區(qū)，此時(shí)煤柱的穩(wěn)定性較差，難以保證礦井安全生產(chǎn)的正常需求。

2.3 合理區(qū)段煤柱寬度確定

合理的區(qū)段煤柱應(yīng)當(dāng)考慮在工作面回采與巷道掘進(jìn)期間維持一定的穩(wěn)定性，因此，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)當(dāng)保留一定的彈性區(qū)，最終的合理區(qū)段煤柱寬度將通過式(8)求得：

L=ktLt+Lj

(8)

式中，kj為彈性區(qū)留設(shè)系數(shù)，取3.5。

最終通過計(jì)算求得區(qū)段煤柱的合理寬度L至少為17.45m。

3 合理煤柱寬度確定數(shù)值分析

3.1 模型建立

在理論計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用FLAC軟件模擬分析不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力分布及塑性區(qū)發(fā)育情況，能夠進(jìn)一步確定黃玉川煤礦4#煤層區(qū)段煤柱的合理留設(shè)寬度。因此，根據(jù)礦井地質(zhì)和巷道現(xiàn)有的支護(hù)條件，建立幾何分析模型，模型計(jì)算范圍為379.5m×100m×110.79m，其中4#煤層頂板上覆巖層厚度為76.47m，底板以下厚度為29.97m。煤柱左側(cè)為12402工作面，右側(cè)為12402輔運(yùn)巷道，煤柱寬度共設(shè)計(jì)15m、18m和20m三種方案，分析不同寬度下煤柱的應(yīng)力分布、塑性區(qū)破壞范圍及現(xiàn)有支護(hù)條件下巷道能否維持一定的穩(wěn)定性。

為保證計(jì)算結(jié)果的精確性，嚴(yán)格按照巷道掘進(jìn)80m—錨桿(索)支護(hù)—工作面開采60m的順序進(jìn)行開挖與支護(hù)，在模型除頂面外設(shè)置固定邊界條件，頂面設(shè)置除模型高度外所缺的應(yīng)力邊界條件4.625MPa，各巖層物理力學(xué)參數(shù)通過力學(xué)試驗(yàn)獲得，具體參數(shù)見表1。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

巷道掘進(jìn)100m后，選取工作面前方10m處不同寬度煤柱的應(yīng)力，不同寬度煤柱應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 不同寬度煤柱應(yīng)力分布

由圖3可知，18m、20m煤柱的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出“雙峰”型特征。當(dāng)煤柱寬度為18m時(shí)，應(yīng)力峰值分別位于煤柱采空區(qū)側(cè)4m處和巷道側(cè)3m處，其值分別為21.55MPa、19.04MPa；當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí)，應(yīng)力峰值均位于煤柱兩側(cè)3m處，其值分別為21MPa、17.36MPa。在彈性區(qū)域內(nèi)，18m煤柱與20m煤柱的應(yīng)力最小值分別為16.33MPa、15.09MPa，分別距采空區(qū)10m、12m。而15m煤柱中應(yīng)力分布為“單峰”型，最大值為26.85MPa，距采空區(qū)7m，表明煤柱兩側(cè)的應(yīng)力峰值相互重疊，煤柱中部無彈性區(qū)，因此，15m煤柱的穩(wěn)定性較差。

煤柱由20m優(yōu)化為18m后，應(yīng)力增加不超過10%。其中巷道側(cè)應(yīng)力峰值變化最大，與20m煤柱相比增加了9.68%。由此可見，18m煤柱與20m煤柱相比煤柱內(nèi)應(yīng)力增加較小，優(yōu)化后的煤柱穩(wěn)住性降低較小，對(duì)巷道的保護(hù)性降低也較小。

當(dāng)巷道掘進(jìn)100m時(shí)，3種不同寬度煤柱在工作面前方10m處塑性區(qū)破壞發(fā)育如圖4所示。

圖4 塑性區(qū)破壞發(fā)育

由圖4分析可知，當(dāng)煤柱寬度為15m時(shí)，塑性區(qū)破壞范圍貫穿整個(gè)煤柱，中部無彈性區(qū)，此時(shí)煤柱的穩(wěn)定性較差，對(duì)巷道的保護(hù)性最差，巷道支護(hù)困難，難以支撐礦井正常生產(chǎn)的需要；當(dāng)煤柱寬度為18m時(shí)，采空區(qū)側(cè)塑性破壞范圍較大，約為4m，巷道側(cè)為3m，其中彈性區(qū)寬度為11m，與15m煤柱相比，穩(wěn)定性較好，對(duì)巷道的保護(hù)性也較好；煤柱寬度為20m時(shí)，塑性區(qū)破壞范圍減小，中部彈性區(qū)寬度增加至15m，此時(shí)煤柱的穩(wěn)定性最好，但留20m煤柱會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，而留設(shè)18m煤柱在一定程度上既能保證巷道的安全，又能降低煤炭的損失。綜上所述，煤柱寬度為15m時(shí)，煤柱穩(wěn)定性差，無彈性區(qū)，所受應(yīng)力較大，對(duì)巷道的保護(hù)性最差；而當(dāng)煤柱留設(shè)為20m時(shí)，中部彈性區(qū)范圍較大，穩(wěn)定性最好，煤炭資源也最為浪費(fèi)。因此，煤柱留設(shè)寬度為18m，既能保證巷道的安全性，又能降低煤炭資源的浪費(fèi)。

4 注漿封孔裝置設(shè)計(jì)

在斷層等復(fù)雜地質(zhì)處，存在松軟破碎煤巖體，對(duì)巷道支護(hù)造成巨大的困難。因此，在傳統(tǒng)注漿封孔裝置的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種新型巷道圍巖注漿封孔裝置，稱為“增阻式注漿封孔裝置”，如圖5所示。

圖5 新型“增阻式注漿封孔裝置”

裝置包括增阻套件、封堵部位、注漿鋼管?？焖僮{部分為中空鋼管，內(nèi)徑12mm，外徑20mm，與增阻套件通過螺紋連接；增阻套件由增阻盤，增阻固定器組成，達(dá)到增加扭矩的目的；封堵部位由橡膠套和墊圈組成，橡膠套與墊圈內(nèi)徑、中空鋼管一致；端頭設(shè)置止?jié){閥防止?jié){液回流。通過增阻套件旋轉(zhuǎn)推動(dòng)鋼管壓縮封堵部位的橡膠套膨脹，以達(dá)到封孔目的，并通過中空鋼管進(jìn)行注漿，對(duì)松軟破碎煤巖體進(jìn)行加固。

加工幾個(gè)樣品之后，在12402輔運(yùn)巷道煤柱幫進(jìn)行封孔注漿測試，然后對(duì)測試孔進(jìn)行窺視：在松軟破碎煤巖體進(jìn)行打孔時(shí)，孔壁破碎、裂隙發(fā)育導(dǎo)致打孔過程困難且部分位置塌孔。進(jìn)行封孔注漿后，煤柱幫鉆孔孔壁完整性大大提高，并在孔壁發(fā)現(xiàn)有灰白色漿液填充物。說明此次使用新型“增阻式注漿封孔裝置”對(duì)松軟破碎煤體進(jìn)行封孔注漿具有一定的加固效果，提高了圍巖的穩(wěn)定性，降低了孔隙率，表明使用“新型封孔注漿裝置”注漿效果好，切實(shí)可行。

5 12402輔運(yùn)巷道監(jiān)測

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬分析，最終確定12402工作面區(qū)段煤柱留設(shè)的合理寬度為18m，并在現(xiàn)場運(yùn)用“十字布點(diǎn)法”觀測巷道表面位移，為證實(shí)留設(shè)18m煤柱能否保證礦井正常生產(chǎn)的需求。12402輔運(yùn)巷道頂?shù)装寮皟蓭妥兓€如圖6所示。

圖6 12402輔運(yùn)巷道頂?shù)装寮皟蓭妥兓€

在煤柱寬度優(yōu)化為18m并加強(qiáng)支護(hù)后，隨著巷道每日16m的速度掘進(jìn)，測點(diǎn)將越來越遠(yuǎn)，隨著天數(shù)的增加，巷道變形逐步趨于穩(wěn)定。在為期90d的監(jiān)測中，頂?shù)装寮皟蓭蛦稳找平孔畲蠓謩e為19mm、24mm，當(dāng)監(jiān)測至第31d后巷道將變得穩(wěn)定。通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，頂?shù)装寮皟蓭蛦稳兆兓首畲鬄?2.94%和59.09%，出現(xiàn)在監(jiān)測第3d和第5d，表明巷道在剛開始的掘進(jìn)中，對(duì)頂?shù)装寮皟蓭偷挠绊戄^大，隨著距離的增加，巷道頂?shù)装寮皟蓭椭饾u穩(wěn)定于338mm和273mm。

通過對(duì)12402輔運(yùn)巷道為期90d的現(xiàn)場監(jiān)測，得知12402輔運(yùn)巷道在區(qū)段煤柱為18m的情況下，圍巖變化情況基本上處于可控范圍內(nèi)，并且表現(xiàn)出巷道的穩(wěn)定性較好，進(jìn)一步證實(shí)留設(shè)寬度為18m的區(qū)段煤柱是較為安全合理的。

6 結(jié) 論

1)考慮到區(qū)段煤柱在采空區(qū)側(cè)和巷道一側(cè)所形成的支承壓力不同，通過理論計(jì)算求得12402輔運(yùn)巷道兩側(cè)極限平衡區(qū)寬度為2.23m，中部彈性區(qū)寬度為4.35m，則合理的區(qū)段煤柱理論寬度應(yīng)在17.44m左右。

2)在工作面前方10m處，15m煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)出單峰型特征。18m煤柱與20m煤柱應(yīng)力相比增加不超過10%。15m煤柱穩(wěn)定性較差，而20m煤柱中部彈性區(qū)寬度較大，造成煤炭資源浪費(fèi)。最終確定合理煤柱寬度為18m。

3)研發(fā)出一種“新型注漿封孔裝置”，封孔注漿效果較好，孔壁完整，圍巖裂隙率降低，證明“新型注漿封孔裝置”切實(shí)可行。并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到的巷道支護(hù)效果，證實(shí)了留設(shè)18m區(qū)段煤柱是可行的。