蔣春林

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

山西天地王坡煤業(yè)有限公司3209 工作面北部為井田邊界，東部與3207 工作面相鄰，南部為3條大巷，西部為實(shí)體煤，整體走向北高南低，工作面開采3 號煤層，平均厚度5.5m，開采范圍屬于簡單類構(gòu)造，區(qū)段煤柱寬度多為19～20 m，為進(jìn)一步提高資源利用率，以3209 工作面輔運(yùn)順槽沿空掘巷為背景，對其煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行優(yōu)化研究。王坡煤業(yè)采煤工作面采用U 型布置方式，即沿3號煤層底板布置工作面膠運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽及開切眼，回采巷道高度均為3.2 m，膠運(yùn)順槽寬4.7 m，輔運(yùn)順槽寬5.0 m，采用錨網(wǎng)與錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用φ22 mm 螺紋鋼，長度2.0～2.4 m，錨索直徑22 mm，長度4.3～7.3 m，錨桿外露不得大于200 mm，錨固長度1 208 mm，錨索外露不大于300 mm，錨固長度1 970 mm。起吊托盤400 mm×400 mm×15 mm，托盤使用15 mm 厚的鋼板與φ32 圓環(huán)鏈通過φ32 半圓環(huán)鏈連接。錨桿尾螺紋規(guī)格M24，采用滾壓加工工藝成型。錨索為1×19股低松弛高預(yù)應(yīng)力鋼絞線，SKP22-1/1860-7300，直徑22 mm，長度7 300 mm，極限拉斷力550 kN，延伸率7%。錨桿布置間排距為900 mm×900 mm，頂板錨索采用“三二三”五花布置方式，布置間排距為1 800 mm×1 800 mm，煤柱幫短錨索布置排距為1 800 mm。以輔運(yùn)順槽為例，其支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 輔運(yùn)順槽支護(hù)斷面Fig.1 Support section of auxiliary transport crossheading

2 煤柱表面松動(dòng)破壞情況實(shí)測

為考察區(qū)段煤柱現(xiàn)有寬度條件下煤柱及巷道穩(wěn)定性，在3205 工作面與3207 工作面間區(qū)段煤柱合理位置，采用彈性波測試法測試煤柱兩側(cè)及巷道頂板塑性破壞情況[1]，測試鉆孔直徑不小于35 mm，幫部煤柱上測試鉆孔深度3 m，同一測試位置布置2 個(gè)鉆孔，間距20 cm，頂板測試孔垂直頂板施工，深2 m，每組1 個(gè)鉆孔，區(qū)段煤柱3205 工作面一側(cè)布置2 組鉆孔，均布置在超前支護(hù)區(qū)，第一組鉆孔距回采工作面10 m，每組鉆孔間相隔30 m，煤柱3207 工作面一側(cè)前2 個(gè)測站與另一側(cè)對稱布置，第三組測試鉆孔再向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)30m，測試鉆孔布置如圖2（a）所示，采用彈性波測試儀測試鉆孔內(nèi)不同深度的傳播速度，得到圖2（b）～（c）所示結(jié)果。

根據(jù)圖2 煤柱不同深度聲波傳播速度變化規(guī)律可以看出，煤柱兩側(cè)及頂板淺部圍巖內(nèi)聲波傳播速度較慢，說明該部分圍巖內(nèi)裂紋較多，煤巖體較破碎，當(dāng)深度達(dá)到某個(gè)值后，聲波傳播速度增大，速度迅速減緩，說明該處煤巖體裂紋較少，整體性較好，且差異性不大，由此可判定該深度值即為松動(dòng)圈發(fā)育的深度，得到煤柱在3205 膠運(yùn)順槽側(cè)松動(dòng)圈發(fā)育深度為0.8 m，煤柱在3207 輔運(yùn)順槽側(cè)松動(dòng)圈發(fā)育深度為0.7 m，3207 輔運(yùn)順槽頂板松動(dòng)破壞深度為0.6 m，根據(jù)巷道支護(hù)圍巖松動(dòng)圈分類表可將王坡煤業(yè)3 號煤層二采區(qū)巷道圍巖判別為II 類較穩(wěn)定圍巖，松動(dòng)圈發(fā)育范圍為40～100 cm，現(xiàn)有支護(hù)條件下，巷道及煤柱穩(wěn)定性好，具備區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化減小的條件。

圖2 松動(dòng)圈測試位置及波速測試結(jié)果Fig.2 Loose ring test location and wave velocity test results

3 煤柱合理寬度模擬研究

為探究不同煤柱寬度條件下，巷道圍巖及煤柱的穩(wěn)定性，根據(jù)3207/3209 工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件及工程實(shí)際，建立FLAC3D 數(shù)值模型[2]，具體參數(shù)見表1。建立模型的走向長度為632 m，傾斜長度350 m，高度140 m，其中共有個(gè)766 656 個(gè)網(wǎng)格，808 424 個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖3 所示。

圖3 三維數(shù)值模型示意Fig.3 Three-dimensional numerical model

采用上述模型進(jìn)行模擬分析，設(shè)置區(qū)段煤柱寬度為6～20 m，3207 工作面充分采動(dòng)影響后，煤柱內(nèi)塑性破壞分布規(guī)律如圖4（a）～圖4（d）所示，煤柱兩側(cè)均出現(xiàn)一定深度的塑性區(qū)，煤柱寬度越小，塑性區(qū)的發(fā)育深度和范圍越大，當(dāng)煤柱寬度為6～8 m 時(shí)，煤柱中上方巖層由采空區(qū)側(cè)延伸至巷道肩角，此時(shí)煤柱對于上覆巖層的支撐能力下降[3-4]，不利于二次采動(dòng)時(shí)巷道圍巖的整體穩(wěn)定，因此可知煤柱寬度不應(yīng)小于8 m。圖4（e）為二次采動(dòng)期間，超前工作面10 m 處3209 輔運(yùn)順槽表面變形量隨煤柱寬度的變化規(guī)律，煤柱寬度在6～10 m變化時(shí)，巷道表面變形量降低明顯，煤柱寬度由10 m 繼續(xù)增大為12 m，圍巖變形量基本無明顯變化，表明10 m 煤柱能夠取得良好的護(hù)巷效果且經(jīng)濟(jì)效益相對較好。圖4（f）為3209 工作面回采期間，工作面前方10 m 處煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律，煤柱寬度大于10 m 時(shí)，垂直應(yīng)力呈“M”形分布，說明此時(shí)煤柱具有良好的支撐性能，應(yīng)力峰值比煤柱寬度為8 m 時(shí)顯著增大，且與煤柱寬度12～20 m 無明顯差異，進(jìn)一步說明了煤柱寬度為10 m 時(shí)具有良好的支撐性能，綜上可得，3209 工作面區(qū)段煤柱最佳寬度為10 m。

圖4 數(shù)值模擬研究結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results

4 應(yīng)用效果

王坡煤業(yè)3209 工作面輔運(yùn)順槽與3207 工作面膠運(yùn)順槽間區(qū)段煤柱寬度為10 m，3209 輔運(yùn)順槽掘巷階段及鄰近3207 工作面開采期間，圍巖穩(wěn)定性良好，表面未出現(xiàn)明顯的變形破壞現(xiàn)象，在3209 工作面回采期間，采用十字交叉法監(jiān)測巷道表面變形量，布置在3209 輔運(yùn)順槽里程450 m 處測站的監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示，可以看出，當(dāng)工作面回采至測站附近，兩幫累積移近量132 mm，頂?shù)装謇鄯e移近量171 mm，圍巖未出現(xiàn)劇烈變形現(xiàn)象，整體穩(wěn)定，不影響其正常使用功能。

圖5 3209 輔運(yùn)順槽礦壓監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Mine pressure monitoring results of No.3209 auxiliary transport crossheading

5 結(jié) 語

王坡煤業(yè)3 號煤層回采工作面間區(qū)段煤柱為19～20 m，通過對3205 工作面與3207 工作面間區(qū)段煤柱松動(dòng)圈實(shí)測，結(jié)果表明，回采巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育深度為40～100 cm，圍巖判別為II 類較穩(wěn)定圍巖，區(qū)段煤柱存在過于保守現(xiàn)象，通過數(shù)值模擬研究表明，煤柱寬度8 m 時(shí)，在一次采動(dòng)影響下發(fā)生貫通塑性破壞，設(shè)計(jì)最優(yōu)區(qū)段煤柱寬度為10 m，在3209 工作面進(jìn)行優(yōu)化區(qū)段煤柱工程應(yīng)用實(shí)踐，回采巷道及煤柱穩(wěn)定性良好，表明將區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化為10 m 是可行的，可在王坡煤業(yè)3 號煤層后續(xù)回采工作面推廣使用。