王春森,鄭茂慧(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦,內(nèi)蒙古鄂爾多斯017300)

1 前言

某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能400 萬(wàn)t/a,共分為三個(gè)開采水平,目前主采一水平的3-1 煤,礦井為低瓦斯礦井,煤層具有爆炸危險(xiǎn),所采煤層為容易自燃煤層,自然發(fā)火期在41～92 d。依據(jù)已有研究成果,經(jīng)過預(yù)氧化浸水風(fēng)干處理后的煤樣與原煤及未浸水煤體相比,表現(xiàn)出更強(qiáng)的氧化性,同時(shí)產(chǎn)生CO 速率及CO產(chǎn)生量均遠(yuǎn)超原煤及預(yù)氧化煤體[1-2]。礦井3-1 煤開采后采空區(qū)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)不同程度積水,后期排水后會(huì)增加采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性。

在沿空掘巷中,煤柱裂隙是CO 入侵作業(yè)場(chǎng)所的關(guān)鍵通道,同時(shí)也是采空區(qū)漏風(fēng)的主要通道[3]。因此,在沿空掘巷施工過程中掌握護(hù)巷煤柱孔裂隙發(fā)育對(duì)預(yù)防采空區(qū)有毒有害氣體入侵沿空掘巷具有重要意義。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)概況

3102 工作面回風(fēng)巷道為矩形斷面,掘?qū)?、掘高分別為5 500 mm、4 200 mm,S掘=23.10 m2;凈寬、凈高分別為5 300 mm、3 900 mm,S凈=20.67 m2。東部以盤區(qū)輔運(yùn)大巷為界,西部至12 盤區(qū)西部邊界,北部為已實(shí)現(xiàn)密閉的3101 工作面,南部為待采3102工作面。為配合3101 采空區(qū)排水需要,3102 工作面巷道與3101 采空區(qū)間有6 m 小煤柱。

3102 回風(fēng)巷道沿3-1 煤底板掘進(jìn),煤層傾角1°～3°,厚度3.90～5.90 m,平均煤厚5.25 m。通過三維地震勘探資料和已掘進(jìn)的3101 運(yùn)輸巷道分析,3102 回風(fēng)巷道掘進(jìn)至3 009 m 處揭露DF19 斷層,斷層落差約為6.5 m,走向296°,傾向26°,傾角49°。具體位置如圖1所示。

圖1 3102 工作面平面布置圖

2.2 回風(fēng)巷道圍巖變形

3102 工作面回風(fēng)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)工藝(錨桿間排距均為1 000 mm),由于回風(fēng)巷道斷面尺寸較大,在掘進(jìn)期間受鄰近采空區(qū)(3101 采空區(qū))側(cè)向支承壓力、巷道掘進(jìn)壓力疊加影響,區(qū)段小煤柱容易受壓產(chǎn)生較大變形,從而產(chǎn)生漏風(fēng)通道。巷道掘進(jìn)30 m 時(shí)煤柱情況如圖2所示,可以看出煤柱有著較為明顯的變形?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)小煤柱變形量達(dá)到450 mm。

圖2 煤柱變形現(xiàn)場(chǎng)照片

3 小煤柱裂隙發(fā)育分析

將煤柱留設(shè)的尺寸設(shè)置為6 m 時(shí),煤柱在較大壓力的情況下產(chǎn)生壓酥變形,進(jìn)而產(chǎn)生大量裂隙,數(shù)值模擬技術(shù)是研究煤柱裂隙擴(kuò)展的常用技術(shù)手段[4]。因此,文中采用模擬分析以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法對(duì)小煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育情況進(jìn)行分析。

3.1 模擬分析

裂隙發(fā)育在煤體內(nèi)部,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)較為困難,現(xiàn)階段多采用數(shù)值模擬對(duì)裂隙發(fā)育、演化規(guī)律進(jìn)行研究[5-7]。文中采用PFC 軟件對(duì)3102 回風(fēng)巷道小煤柱內(nèi)裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行模擬分析。煤柱長(zhǎng)100 m,寬為6 m,每掘進(jìn)10 m 保存一組數(shù)據(jù),具體巷道掘進(jìn)0～100 m 時(shí)煤柱內(nèi)孔隙率分布情況如圖3所示。

從圖3 看出,孔隙率在掘進(jìn)后的煤柱內(nèi)明顯增加,同時(shí)受到掘進(jìn)動(dòng)壓影響超前掘進(jìn)面一定范圍內(nèi)的煤柱內(nèi)孔隙率也有所增加。

圖3 回風(fēng)巷道不同掘進(jìn)距離時(shí)的窄煤柱孔隙率分布圖

當(dāng)3102 回風(fēng)巷道掘進(jìn)10 m 時(shí),護(hù)巷煤柱(6 m)中已發(fā)育裂隙且隨著巷道掘進(jìn)距離增加,煤柱內(nèi)裂隙更為發(fā)育;當(dāng)回風(fēng)巷道掘進(jìn)40 m 時(shí),護(hù)巷煤柱裂隙呈大面積聯(lián)通狀態(tài)、煤柱孔隙率發(fā)育;掘進(jìn)到50 m時(shí),煤柱孔隙率與40 m 位置孔隙率基本上相同;掘進(jìn)60 m 時(shí)護(hù)巷煤柱內(nèi)孔隙率呈減小狀態(tài),且與掘進(jìn)面的距離的增加,護(hù)巷煤柱內(nèi)孔隙率呈逐漸減少趨勢(shì);當(dāng)掘進(jìn)80 m 時(shí),護(hù)巷煤柱受力穩(wěn)定,內(nèi)部孔隙未出現(xiàn)大面積貫通狀況。

綜上分析護(hù)巷煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育可細(xì)分為以下4個(gè)階段:

(1)巷道掘進(jìn)10 m 時(shí),煤柱內(nèi)有貫通裂隙,同時(shí)隨著掘進(jìn)距離增加,煤柱內(nèi)裂隙持續(xù)增加,但是在掘進(jìn)0～40 m 時(shí)護(hù)巷煤柱孔隙未有大面積裂隙貫通,在此掘進(jìn)期間護(hù)巷煤柱內(nèi)裂隙處于擴(kuò)展發(fā)育階段。

(2)巷道掘進(jìn)至40～50 m 時(shí),護(hù)巷煤柱裂隙保持最大,此階段為裂隙最大區(qū)。

(3)當(dāng)巷道掘進(jìn)達(dá)到50～80 m 時(shí),護(hù)巷煤柱內(nèi)裂隙在礦壓作用下被壓實(shí),護(hù)巷煤柱孔隙率有所降低,此階段為裂隙減小區(qū)。

(4)當(dāng)巷道掘進(jìn)至80～100 m 時(shí),護(hù)巷煤柱內(nèi)部大面積聯(lián)通的裂隙消失,煤柱內(nèi)漏風(fēng)量有所降低,此階段為裂隙穩(wěn)定區(qū)。

3.2 巷道煤柱裂隙現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示3101 采空區(qū)會(huì)有一定積水。當(dāng)采空區(qū)水位下降后,同時(shí)采空區(qū)內(nèi)壓強(qiáng)大于掘進(jìn)巷道,從而在窄煤柱內(nèi)產(chǎn)生漏風(fēng)通道。隨著3102 回風(fēng)巷道護(hù)巷煤柱內(nèi)部出現(xiàn)貫通裂隙,從而形成漏風(fēng)以及漏水通道,特別是在煤柱巷幫錨桿施工位置,漏水量較大。在3102 回風(fēng)巷道掘進(jìn)過程中對(duì)巷幫錨桿漏水情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可掌握護(hù)巷煤柱漏水以及漏風(fēng)區(qū)域(煤柱內(nèi)貫通裂隙發(fā)育區(qū)),從而為后續(xù)采取噴涂治理提供指導(dǎo)。

漏水情況自3102 回風(fēng)巷道開始掘進(jìn)時(shí)記錄,每三天記錄一次漏水情況,按錨桿漏水位置,自下而上分分別分為上、中、下,按漏水量分別分為Ⅰ—輕微滴漏,不連續(xù);Ⅱ—水流呈現(xiàn)連續(xù)線狀流出,但是流量較小;Ⅲ—水流呈現(xiàn)多條線狀流出,水流量大。具體掘進(jìn)100 m 范圍內(nèi)錨桿滲水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

從表1 看出,巷幫錨桿漏水呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)分段式規(guī)律:

表1 掘進(jìn)100 m 范圍內(nèi)錨桿滲水統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(1)與掘進(jìn)工作面相距0～2 m:巷幫錨桿無明顯漏水。

(2)與掘進(jìn)工作面相距2～35 m:巷幫錨桿出現(xiàn)漏水情況,且與掘進(jìn)工作面相距越遠(yuǎn),錨桿漏水量越大。

(3)與掘進(jìn)工作面相距35～50 m:巷幫錨桿漏水量最大且該區(qū)間范圍內(nèi)幫幫錨桿漏水量大致相同。

(4)與掘進(jìn)工作面相距50～75 m:巷幫錨桿漏水量有所降低,且隨著與掘進(jìn)工作面間距增加,巷幫錨桿漏水呈逐漸減小趨勢(shì)。

(5)與掘進(jìn)工作面相距75～100 m:巷幫錨桿部分漏水,漏水錨桿呈點(diǎn)狀分布。

3.3 煤柱裂隙發(fā)育規(guī)律分析

隨3102 回風(fēng)巷道不斷推進(jìn),護(hù)巷煤柱內(nèi)裂隙開始發(fā)育。模擬表明,在與掘進(jìn)工作面相距0～40 m范圍內(nèi)為裂隙擴(kuò)大區(qū);在與掘進(jìn)工作面相距40～50 m范圍內(nèi)為裂隙最大值區(qū)。

現(xiàn)場(chǎng)巷幫錨桿漏水監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:與掘進(jìn)工作面相距3～35 m 范圍內(nèi),巷幫錨桿漏水呈逐漸增加趨勢(shì);在與掘進(jìn)工作面相距35～50 m 范圍內(nèi),巷幫錨桿漏水量最大,同時(shí)漏水錨桿多中在靠近巷道底板位置;在與掘進(jìn)工作面相距超過50 m 后,受到護(hù)巷煤柱內(nèi)被逐漸壓實(shí)影響,煤柱內(nèi)漏水通道減少,從而導(dǎo)致巷幫錨桿漏水量逐漸降低;在與掘進(jìn)工作面相距超過75 m 后,護(hù)巷煤柱內(nèi)大部分裂隙閉合,但仍有部分裂隙與采空區(qū)貫通,從而導(dǎo)致仍有部分巷幫錨桿出現(xiàn)少量滲水情況。

依據(jù)與在與掘進(jìn)工作面相距距離,將護(hù)巷煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育劃分為4 區(qū)域,具體如圖4所示。其中裂隙擴(kuò)大區(qū)范圍為0～35 m;裂隙最大區(qū)范圍為35～50 m;裂隙減小區(qū)范圍為50～75 m;裂隙穩(wěn)定區(qū)范圍為75 m 以后。

圖4 煤柱裂隙發(fā)育趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

(1)小煤柱沿空掘進(jìn)時(shí)受到采空區(qū)側(cè)向壓力及掘進(jìn)壓力影響,巷道煤柱側(cè)圍巖變形量較大,特別是掘進(jìn)斷面較大時(shí)煤柱變形量更大。當(dāng)開采的煤層具有自燃危險(xiǎn)性時(shí),煤柱變形性過大會(huì)在掘進(jìn)巷道與鄰近采空區(qū)間形成漏風(fēng)通道,給煤炭回采安全帶來威脅。

(2)采用PFC 軟件對(duì)著3102 回風(fēng)巷道掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)后孔隙率在掘進(jìn)后的煤柱內(nèi)明顯增加,同時(shí)受到掘進(jìn)動(dòng)壓影響超前掘進(jìn)面一定范圍內(nèi)的煤柱內(nèi)孔隙率也有所增加,煤柱孔隙率以區(qū)段式分布;根據(jù)巷道錨桿漏水情況發(fā)現(xiàn)錨桿滲水區(qū)域呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)分段式發(fā)展。

(3)結(jié)合模擬分析結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果,隨著3102 回風(fēng)巷道掘進(jìn),煤柱內(nèi)裂隙擴(kuò)展分4 個(gè)區(qū)域,其中域裂隙擴(kuò)大區(qū)范圍為0～35 m;裂隙最大區(qū)范圍為35～50 m;裂隙減小區(qū)范圍為50～75 m;裂隙穩(wěn)定區(qū)范圍為75 m 以后。