王東陽

(潞安化工集團潞寧煤業(yè)公司 安監(jiān)處，山西 寧武 036706)

山西省的煤炭資源經(jīng)過多年開采，許多礦井已面臨無煤可采的困境。為了節(jié)約煤炭資源、提高資源回收率、延長礦井服務(wù)年限，小煤柱、沿空留巷等技術(shù)逐漸在山西多個礦區(qū)推廣應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。但對于存在老窯破壞區(qū)的礦井而言，由于老空巷或采空區(qū)破壞了煤柱整體性，降低了老空區(qū)影響范圍內(nèi)煤柱對頂板的控制作用，導(dǎo)致小煤柱留設(shè)過程中，巷道圍巖及煤柱穩(wěn)定性下降[1-2]。同時，在小煤柱工作面回采過程中，受采動應(yīng)力影響，老空區(qū)密閉結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞失效溝通采空區(qū)[3]，對工作面安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，以三元微子鎮(zhèn)煤業(yè)老窯破壞區(qū)厚煤層為研究背景，開展小煤柱留設(shè)的關(guān)鍵因素研究，分析不同寬度煤柱條件下，煤柱、巷道圍巖及老空區(qū)變形破壞特征，并對小煤柱巷道切頂卸壓、空巷充填方案進行分析，為老窯破壞區(qū)厚煤層工作面實現(xiàn)安全高效開采提供有效保障。

1 工作面開采條件

微子鎮(zhèn)煤業(yè)15號煤層區(qū)段煤柱寬度為15.5 m，為了節(jié)約煤炭資源，提高資源回收率，延長礦井服務(wù)年限，計劃在15103工作面開展小煤柱開采技術(shù)應(yīng)用，15102、15103工作面屬于厚煤層開采，在高強開采條件下，釆場上覆巖層活動劇烈、應(yīng)力集中程度高、礦壓顯現(xiàn)程度大。同時，15102回風(fēng)巷圍巖環(huán)境及受多條老空巷破壞情況，圍巖及煤柱穩(wěn)定性受采空區(qū)影響。

1.1 工作面概況

15103工作面位于15102工作面東側(cè)，工作面走向長度560 m，15103工作面回風(fēng)巷臨近15102工作面回風(fēng)巷，該區(qū)段煤柱為計劃留設(shè)小煤柱區(qū)域，工作面布置如圖1所示。

圖1 15103工作面布置圖

1.2 煤層條件

小煤柱巷道所在15號煤層屬于太原組下段下部，巷道沿頂板掘進，上距3號煤層96.3～125.2 m，平均110.75 m.根據(jù)附近3號地質(zhì)鉆孔與15102回風(fēng)巷、一采區(qū)膠帶大巷掘進情況分析，15號煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度3.84 m，硬度系數(shù)1.5，屬中硬煤層，無大的斷裂構(gòu)造，小構(gòu)造發(fā)育，煤層傾角平均8°下山，含1～2層夾矸，厚度 0.3～0.8 m.

1.3 頂?shù)装鍡l件

煤層直接頂為1.38～3.58 m泥質(zhì)砂巖，局部泥巖，屬軟弱-堅硬巖石，基本頂厚度6.15～12.2 m，中粒砂巖，質(zhì)純堅硬，極限抗壓強度54.4～86 MPa，屬堅硬巖石，K2石灰?guī)r厚度3.9～14.88 m，質(zhì)純堅硬，屬堅硬巖層。平均厚度直接底為2.78～10.98 m厚黑色泥巖，屬軟弱-半堅硬巖石，老底為K1砂巖。

2 小煤柱合理寬度研究

工作面回采完成后，采空區(qū)靠近區(qū)段煤柱一側(cè)頂板大致存在兩種情況：①在靠近煤柱側(cè)向位置仍有部分頂板沒有垮落，造成工作面回采較長時間后煤柱側(cè)向支承壓力依然處于較高水平，對小煤柱巷道影響較大。②工作面回采后采空區(qū)頂板充分垮落，區(qū)段煤柱外側(cè)不存在懸頂現(xiàn)象，則煤柱基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，其內(nèi)部應(yīng)力水平較低，對煤柱送巷影響較小。為此，采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬方法對合理煤柱留設(shè)寬度及臨空巷道圍巖穩(wěn)定性進行分析。

2.1 理論計算分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，結(jié)合微子鎮(zhèn)實際生產(chǎn)條件，計算15102工作面回采后側(cè)向支承壓力分布情況，側(cè)向支承壓力峰值距離采空區(qū)的位置(塑性區(qū)寬度)，為15103工作面窄煤柱巷道的布置提供理論依據(jù)。采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值離采空區(qū)邊界的距離公式[4]如下：

式中：M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°；γ0為煤層傾角，取平均傾角8°；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，取0.

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

根據(jù)15102工作面地應(yīng)力測試得出的最大最小主應(yīng)力可以得出，β1=1.08，β2=1.25.在側(cè)壓系數(shù)一定的情況下，隨著煤層開采厚度的增大，應(yīng)力降低區(qū)的范圍增大，且隨著采厚的增大側(cè)向支承壓力的峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移[5]。工作面煤厚平均為3.84 m，結(jié)合理論計算可以看出，應(yīng)力降低區(qū)范圍為5.6～7.6 m.

2.2 區(qū)段煤柱應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)數(shù)值模擬

為了進一步研究微子鎮(zhèn)煤礦15號煤層區(qū)段煤柱的采動應(yīng)力狀態(tài)，采用數(shù)值模擬方法對區(qū)段煤柱內(nèi)應(yīng)力場及位移場的分布規(guī)律進行模擬，并結(jié)合理論計算結(jié)果對區(qū)段煤柱沿空掘巷的可行性進行分析。煤柱方案的留設(shè)采用小煤柱。根據(jù)微子鎮(zhèn)礦大采高綜采工藝特征，需要模擬煤柱兩側(cè)煤全部回采完后煤柱的穩(wěn)定性，其模擬尺寸分別是： 3～12 m尺寸下煤柱的穩(wěn)定性。各方案模擬的邊界條件，巖層性質(zhì)等均保持不變。煤柱應(yīng)力及巷道圍巖位移變化趨勢如圖2所示。

圖2 煤柱及巷道應(yīng)力應(yīng)變趨勢圖

煤柱寬度為3～5 m時，巷道左右?guī)鸵平枯^大，極有可能出現(xiàn)煤柱漏空或坍塌危險；煤柱寬度為5～7 m時兩幫的相對移近量較小，但5 m煤柱承載能力小于6 m煤柱；由于中央有應(yīng)力核存在，煤柱寬度為7 m時，煤柱承受的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力高于5～6 m煤柱；煤柱寬度為8～12 m時，煤柱中央應(yīng)力集中程度顯著增大，煤柱極容易失穩(wěn)。因此，確定出小煤柱留設(shè)尺寸范圍為5～7 m.考慮到微子鎮(zhèn)煤業(yè)開采技術(shù)條件，同時結(jié)合理論計算結(jié)論，最終確定煤柱尺寸為7 m.

3 小煤柱巷道側(cè)向卸壓技術(shù)研究

根據(jù)微子鎮(zhèn)煤礦15102工作面頂板條件，由于15號煤層基本頂為厚度6.15～12.2 m的厚中粒砂巖，頂板上方10～18 m左右為K2石灰?guī)r，兩層頂板均致密堅硬，不易垮落，其形成的 “懸臂長梁”結(jié)構(gòu)堅硬難冒，在端頭處可見煤柱側(cè)向頂板長距離懸露，在15102工作面回采后，將造成采空區(qū)側(cè)向懸頂范圍較大，在頂板回轉(zhuǎn)、下沉、斷裂過程中不斷壓迫煤柱，將集中應(yīng)力傳遞至15103回風(fēng)巷，最終導(dǎo)致相鄰巷道應(yīng)力應(yīng)變升高，巷道圍巖維護異常困難[6-7]。為減小15102工作面回采超前動壓及采空區(qū)懸頂對15103回風(fēng)巷的不利影響，降低該巷道維護成本，提出深孔爆破側(cè)向切頂卸壓方案，切斷區(qū)段煤柱側(cè)向頂板[8]，保證巷道安全。

3.1 切縫高度分析

預(yù)裂深度H臨界設(shè)計公式如下：

H=(m-Δh1-Δh2)/(K-1)

式中：m為煤層開采高度；Δh1為頂板下沉量，m；Δh2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，1.2～1.5.

本次K取1.2，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面采高3.84 m，計算得出頂板巖層治理高度為19.2 m，基本涵蓋了基本頂中粒砂巖和K2石灰?guī)r兩層堅硬頂板，由于沿走向K2石灰?guī)r層位發(fā)生變化，在實際施工過程中，可根據(jù)頂板打鉆揭露情況，對鉆孔深度進行調(diào)整。

3.2 深孔爆破參數(shù)選擇

微子鎮(zhèn)煤礦深孔爆破所用炸藥為煤礦三級許用水膠炸藥，藥卷直徑為35 mm，根據(jù)頂板巖性及鉆孔施工機具條件，確定微子鎮(zhèn)堅硬頂板深孔爆破的炮孔直徑為75 mm，裝藥不耦合系數(shù)為1.25，炮孔間距選擇1.5 m.為了保證爆破過程中不對巷道支護系統(tǒng)構(gòu)成威脅，爆破孔偏向煤柱側(cè)仰斜70°打設(shè)，孔深20.4 m.根據(jù)深孔爆破經(jīng)驗，封孔長度應(yīng)大于孔深1/3，封孔長度選擇7 m.15103工作面推進長度464 m，老空巷及采空區(qū)影響范圍內(nèi)不進行爆破作業(yè)，共布置256個爆破孔，單次起爆數(shù)量為3個炮孔。施工位置位于15102工作面回風(fēng)巷側(cè)，在工作面超前支護段以外即可對該組炮孔進行裝藥和爆破。爆破孔布置方式如圖3所示。

圖3 深孔爆破鉆孔布置圖

4 老空巷治理技術(shù)方案

4.1 老空巷對煤柱穩(wěn)定性影響程度分析

為了研究老空巷對煤柱穩(wěn)定性的影響程度，采用數(shù)值模擬方法對老空巷對煤柱應(yīng)力分布特征與破壞狀況進行分析，評估老空巷對煤柱穩(wěn)定性影響程度。

工作面推進接近老空巷過程中，煤柱豎直應(yīng)力分布如圖4所示。當(dāng)工作面推進至接近空巷時，煤柱處于明顯的應(yīng)力集中區(qū)，受到工作面采動影響強烈?？障锝徊婵诟浇褐鶉鷰r處于應(yīng)力降低區(qū)，空巷之間的煤柱內(nèi)部存在1.5 m左右的彈性核區(qū)，能承受較大的載荷。距離空巷5 m外，空巷對煤柱應(yīng)力分布產(chǎn)生影響逐步減弱。

圖4 老空巷附加煤柱應(yīng)力分布圖

老空巷附近煤柱塑性區(qū)分布情況如圖5所示。當(dāng)工作面推進至接近空巷時，煤柱受到工作面采動影響明顯[9]。在工作面回采影響下，空巷附近1～3 m范圍煤柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)域已經(jīng)相互貫通，煤柱完全處于塑性破壞狀態(tài)。尤其是空巷交叉口處破壞更為嚴(yán)重。距離空巷5 m外，煤柱受空巷影響產(chǎn)生的破壞逐步減弱，煤柱內(nèi)部存在1.5 m左右未屈服彈性核區(qū)。

圖5 老空巷附加煤柱塑性區(qū)分布圖

從上述分析可知，老空巷對煤柱穩(wěn)定性影響較為明顯，增加了小煤柱的采動應(yīng)力集中程度，并加劇了煤柱圍巖的屈服劣化[10]。老空巷對煤柱影響范圍約為3 m，該區(qū)域煤柱圍巖全部處于塑性破壞狀態(tài)，圍巖易發(fā)生大變形而失穩(wěn)。因此建議對老空巷進行充填處理，采區(qū)切頂卸壓方法減緩小煤柱應(yīng)力集中程度，并對老空巷前后3 m的小煤柱和巷道進行加強支護。

4.2 老空巷充填方案

1) 充填方式選擇。根據(jù)老空巷位置及煤柱穩(wěn)定性要求，對比多種充填材料[11]，選擇充填工藝簡單、終凝強度較高的混凝土[12]作為充填材料，采用混凝土磚墻密閉+發(fā)泡混凝土充填方式，在老空巷開口處采用0.49 m厚混凝土磚墻密閉鉆場，而后在鉆場內(nèi)充填發(fā)泡混凝土，混凝土磚墻起到切頂效果，鉆場內(nèi)充填發(fā)泡混凝土材料，起到密閉采空區(qū)作用。

2) 充填體強度?；炷链u墻采用普通燒結(jié)磚，抗壓等級MU20為宜，采用C40標(biāo)號混凝土，在深孔爆破卸壓后，能在采空區(qū)后方起到一定的切頂作用，有效降低側(cè)向懸頂對充填體的壓力水平。

發(fā)泡混凝土應(yīng)具有一定的強度，避免煤柱上方壓力擠壓充填體大變形，導(dǎo)致老空巷影響區(qū)煤柱變形量增大，充填體終凝強度保證在5 MPa以上，能夠起到支撐頂板的效果，同時密閉采空區(qū)，防止有害氣體涌入15103回風(fēng)巷。

3) 充填時間。在15102回風(fēng)巷揭露老空巷時，采用混凝土墻對空區(qū)進行封堵，若此時充填，由于空巷為單側(cè)封堵，充填體漿液自流距離遠(yuǎn)，無法控制充填量及充填率，充填效果較差。為保證充填體接頂并完全封堵老空巷，可在15103回風(fēng)巷掘進期間揭露老空巷后，及時密封采空區(qū)并充填。

4) 充填工藝。選用充填泵對老空巷進行充填作業(yè)，15103回風(fēng)巷掘進過程中，當(dāng)揭露老空巷時，在空巷開口處構(gòu)筑混凝土墻，并在墻體上方預(yù)留注漿孔。充填泵及攪拌設(shè)備布置在15103回風(fēng)巷內(nèi)，在15103工作面回采前，完成4條空巷及1個采空區(qū)的充填作業(yè)。充填系統(tǒng)布置如圖6所示。

圖6 超前鉆場充填示意圖

通過現(xiàn)場觀測，15103回風(fēng)巷整體變形量較小，深孔爆破切頂卸壓效果明顯。老空巷影響范圍內(nèi)巷道圍巖基本穩(wěn)定，并未出現(xiàn)充填體破壞導(dǎo)致漏風(fēng)、有害氣體侵入等風(fēng)險，保證了工作面安全回采。

5 結(jié) 語

1) 采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬方法，對煤柱合理留設(shè)寬度進行了分析，當(dāng)煤柱寬度小于5 m時，巷道兩幫移近量較大，存在煤柱漏空或坍塌危險；煤柱寬度為5～7 m時可有效控制圍巖變形；煤柱寬度為8～14 m時，煤柱中央出現(xiàn)明顯應(yīng)力核，煤柱中部應(yīng)力集中程度顯著升高，極易發(fā)生失穩(wěn)，最終確定煤柱寬度為7 m.

2) 針對小煤柱側(cè)向應(yīng)力高的問題，提出了深孔爆破切頂卸壓方案，并針對性的制定了切縫高度及炮孔布置參數(shù)，保證了巷道的卸壓效果。

3) 老空巷對煤柱穩(wěn)定性影響較大，采用數(shù)值模擬方法分析了老空巷對煤柱及巷道圍巖的影響程度，而后制定了老空巷充填技術(shù)方案，包括選擇發(fā)泡混凝土作為充填材料、充填體終凝強度保證在5 MPa以上、充填時機為15103回風(fēng)巷掘進期間揭露老空巷后及時密封空區(qū)并充填。