某矿沿空掘巷窄煤柱合理留设与控制

郭鹏飞

(山西煤炭进出口集团 经坊煤业有限公司，山西 长治 047100)

目前,随着矿井开采深度增加,原岩应力与复杂应力的程度增大,围岩力学性质变化,综放复杂应力区预留煤柱与巷道维护愈来愈困难[1-5]。复杂地质环境下,沿空掘巷的围岩控制面临一系列新的问题亟待解决。在煤矿生产过程中,煤巷的有效控制是安全生产的基础;煤柱的优化能够节省资源,提高回采率和经济效益[6-10]。因此,研究窄煤柱稳定性的控制技术对有效控制围岩的变形与破坏具有重要的现实意义。

张科学等[11]通过位移场分析,得出煤柱向巷道内位移普遍大于向采空区侧位移,最后得出沿空掘巷窄煤柱宽度的确定方法。柏建彪等[12]通过数值计算分析,研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系,针对不同煤层条件确定了相应的窄煤柱宽度,并将研究结果成功应用于实践。李学华等[13]通过总结分析影响窄煤柱变形的关键因素提出了不同影响因素下保障窄煤柱稳定的控制对策。文章以某矿20109工作面回风顺槽为研究背景,结合理论分析与数值模拟方法确定了工作面窄煤柱的合理宽度,为有效解决围岩问题提供了基础数据。

1 工程概况

某矿主采2号煤层和10号煤层,普遍埋深在300 m左右。煤层赋存平缓,一般倾角3°～5°,顶板稳定,地质构造简单,水文地质条件简单,涌水量小,低瓦斯,开采技术条件较好,采用综合机械化开采方式。20109工作面为采区接续工作面,回风巷采用沿空掘巷,工作面巷道总长1 460 m,所采2号煤层赋存稳定,平均厚度6.02 m,无夹矸,煤质为碎块、黑色、粉末状,煤层倾角一般小于10°。2号煤顶板一般为灰黑色泥岩、粉砂岩等,厚度为2 m左右,含植物叶部化石。底板为黑色的砂泥岩、细砂岩,有时为泥岩,富含植物根部化石,厚度为3 m～6 m。各岩层物理力学参数见表1。

表1 岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of rock strata

2 煤柱合理宽度的数值模拟及应力分析

根据20109工作面回风顺槽围岩赋存情况,建立有限差分软件FLAC3D模拟分析所需数值计算模型,模型尺寸130 m×100 m×29 m(长×宽×高);结合采区工作面地应力测试结果,垂直(z轴方向)地应力施加地应力7.28 MPa,水平面上沿南北方向(x轴)应力分量12.80 MPa,计算中水平侧压系数取为1.0。

影响窄煤柱稳定性的因素较多,结合该矿地质条件,只考虑煤柱宽度的影响,设计分别留设4 m、6 m、8 m和10 m煤柱4个计算方案。

2.1 窄煤柱围岩应力分布规律

研究不同宽度窄煤柱条件下巷道围岩垂直应力场分布情况,确定合理的窄煤柱的宽度,图1为不同窄煤柱宽度条件下营造围岩垂直应力场分布图。

图1 不同窄煤柱宽度条件下巷道围岩垂直应力场分布图Fig.1 Distribution of vertical stress field of surrounding rock under different narrow coal pillar widths

由图1可见,不同煤柱宽度条件下20109工作面回风顺槽围岩垂直应力分布特征为:

1)煤柱宽度为4 m～6 m时,巷道围岩应力较小;煤柱宽度增加为8 m～10 m时,巷道围岩应力明显增大。

2)从窄煤柱的应力分布云图看,当煤柱宽度为4 m～8 m时,应力圈形成不明显,或者正在形成,护巷煤柱内的应力都处在较低水平,没有形成煤柱内的应力集中现象;当煤柱宽度为8 m～10 m时,煤柱内的应力圈基本形成,煤柱内的应力集中程度显著大于实体煤帮的应力集中程度。

3)巷道顶板垂直应力分布随煤柱宽度的变化规律性不强,整体来看,随着煤柱宽度的增加,垂直应力水平逐渐增加,形成的垂直应力等值线圈也越来越大。

综上所述,窄煤柱宽度不同时,巷道围岩应力特征变化较为明显综合考虑整个巷道围岩的应力分布特征,认为煤柱宽度小于8 m时巷道围岩处在较好的应力环境中。

2.2 掘巷期间窄煤柱变形规律

为确定合理的窄煤柱的宽度,研究掘进期间不同窄煤柱条件下窄煤柱内水平位移场分布情况,分析得出掘巷期间沿空掘巷煤柱内水平位移具有以下特征:

煤柱宽度4 m～8 m时,煤柱向采空区侧的位移随煤柱宽度增大而增大,窄煤柱宽度大于8 m后,煤柱向采空区侧的位移随煤柱宽度增大而减小,然后趋于稳定。煤柱6 m～8 m时的巷道位移量明显大于4 m～8 m时的位移量。

2.3 窄煤柱围岩变形规律

分析不同煤柱宽度条件下对顶板、底臌、煤柱以及煤帮等方面的影响。

1)顶板下沉:巷道顶板下沉量受煤柱宽度影响较大,煤柱宽度4 m～6 m时,顶板下沉量随着煤柱宽度的增大而减小;煤柱宽度8 m～10 m时,顶板下沉量随着煤柱宽度的增大而增大;煤柱宽度继续增大,顶板下沉量增加幅度剧烈减小而后基本保持稳定。

2)底臌:底臌量随煤柱宽度的增加变化不很明显,整体来看,随着煤柱宽度的增加,底臌量先减小后增大,在煤柱宽度为10 m时,底臌量达到最大,煤柱宽度由4 m增加到6 m时,底臌量先增大后减小,至5 m时最小底臌量达到15.6 mm;煤柱宽度由8 m增加到10 m时,底臌量缓慢增大,窄煤柱宽度继续增大,底臌量增加幅度减小,基本可以看作保持稳定。

3)窄煤柱帮变形量:煤柱宽度从4 m增加到8 m,帮变形量剧烈减小至116.8 mm,且明显小于煤柱宽度8 m～10 m时的变形量,煤柱宽度4 m时变形量最小,但此时煤柱已经完全处于塑性破坏状态,承载能力很小、锚固基础较差。

4)实体煤帮变形量:实体煤帮变形量随煤柱宽度的增加先减小后增大再减小,当煤柱宽度由4 m增大至8 m时,实体煤帮变形量由74.1 mm减小至67.7 mm,在煤柱宽度8 m～10 m的范围内,实体煤帮变形量逐渐增大,在窄煤柱宽度为10 m的基础上继续增大其宽度,实体煤帮变形开始缓慢减小。

综上所述,在煤柱宽度为6 m～8 m时,巷道顶底板移近量、两帮移近量都在一个比较合理的范围内。

3 沿空巷道矿压监测与分析

20109顺槽中安设矿压测站,其中回风顺槽为沿空掘巷,留设8 m煤柱。20109工作面水平构造应力大且与巷道走向垂直,原岩应力与工作面采动应力对巷道围岩稳定影响较大,布置矿压测站,对工作面回采巷道围岩变形与破坏状况进行全面、系统的监测,以获得围岩的位移和应力信息,从而判断巷道围岩的稳定程度和安全性。

采用测距仪观测顶底板和两帮相对移近量以及相对移近速度,采集测站数据并对其进行分析。

胶带巷由于在实体煤中,掘进和回采期间相对稳定。回风巷沿采空区留设8 m煤柱掘进,是本次矿压观测重点。矿压观测时间历时约200 d,巷道顶底板和两帮相对移近量,绘制回风巷表面位移量与时间关系曲线图。

分析曲线图知,巷道掘巷后的短时间内变形速度较快,巷道断面通过变形释放部分围岩应力;随着不断推进,巷道逐渐产生较大变形,两帮变形表现尤为明显,且煤柱侧向巷道内移进量大于两帮移近量,说明两帮变形主要来自煤柱一侧的变形。

通过顶板离层仪监测巷道各上覆岩层相对位移量,仪器设置1.5 m、4 m和8 m 3个不同深度的基点,分别对应监测煤层顶板、直接顶及基本顶,离层仪监测读数汇总曲线如图2所示。

图2 巷道顶板覆岩相对位移与时间关系曲线Fig.2 The relationship between the relative displacement of overlying strata and the time

顶板离层仪读数曲线反映了巷道顶板与上覆岩层监测点的相对位移,结合巷道顶底板移近量曲线,对比分析不同深度基点读数曲线,可得以下结论:8 m深基点基本顶最为稳定,岩层位移量最小,可作为其他岩层位移的参照层;测站安设前两周,1.5 m深基点相对位移最小,表明顶板下沉量主要是锚杆锚固区外煤层冒落引起,而位移量随后趋于稳定,表明方格金属网有效支护了冒落煤层;4 m深基点基本顶岩层下沉位移也不大,表明该岩层承载能力较强,作为支护的受力层能够满足围岩稳定的需求。

综上分析,确定某矿沿空掘巷留设8 m煤柱可行。根据模拟研究和矿压观测,煤柱仍有优化空间,有待进一步深入研究。窄煤柱的合理留设与进一步优化,提高了围岩的稳定性,既能够有效控制围岩变形,又减少了资源浪费,提高了经济效益。

4 结束语

1)由于沿空掘巷过程中窄煤柱留设宽度不同,易引起巷道的围岩变形问题,降低生产过程中的安全性。

2)结合窄煤柱围岩应力分布规律与窄煤柱掘巷期间围岩变形规律,巷道位移量与两帮移近量在煤柱宽度6 m～8 m情况下较小,确定窄煤柱的合理宽度应该在6 m～8 m。

(3)矿压观测8 m煤柱留设情况,巷道实体煤侧变形小,相对稳定,8 m煤柱留设方案可行,能够提高资源回采率,增加企业经济效益。