徐春虎,唐婷婷
(1.晉能控股煤業(yè)集團塔山煤礦,山西 大同 037003;2.晉能控股煤業(yè)集團白洞礦,山西 大同 037003)
3~5 號煤層為塔山煤礦主采煤層,煤層平均厚度10.2~11.6 m,煤層賦存地質(zhì)條件較為復雜,斷層節(jié)理發(fā)育明顯,自下而上賦存1 m 破碎煤層、5 m 水平發(fā)育節(jié)理、10 m 垂直方向和傾斜發(fā)現(xiàn)節(jié)理。其中8117 綜放工作面可采傾向長度平為281 m。
塔山礦一盤區(qū)8102~8105 工作面在回采期間,為有效防止煤層自燃、瓦斯涌出等問題,采用留設38 m 寬煤柱的方式,原矩形掘進斷面尺寸為5.3 m×3.3 m,但巷道圍巖變形明顯,冒頂現(xiàn)象時有發(fā)生。在回采期間,圍巖破壞最嚴重時,巷道斷面尺寸僅為2.9 m×2.3 m,對工作面正常安全回采造成產(chǎn)生了極為不利的影響,且由于煤柱尺寸過大,造成煤炭資源損失量大、損失率高、回采率較低。針對上述實際情況,小煤柱留設技術(shù)研究至關(guān)重要,要求該技術(shù)在確保工作面防火、防瓦斯可靠的前提下,需同時符合窄小煤柱沿空掘巷安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行。因此,對8117 工作面煤柱留設寬度開展了沿空掘巷的基礎(chǔ)理論分析和關(guān)鍵技術(shù)的研究。
2.2.1 理論計算
考慮到寬煤柱易造成煤炭資源浪費和損失,同時,留設寬煤柱易導致巷道圍巖變形量加大、巷道變形破壞嚴重,不利于巷道圍巖穩(wěn)定性的維護;當煤柱寬度過于窄小時,會導致煤柱破碎嚴重,穩(wěn)定性差,失去預留煤柱的意義,且無法對開挖巷道進行有效支護,導致錨桿(索)錨固力不足,不利于工作面安全生產(chǎn);鑒于此,煤柱寬度的選擇必須合理有效,一方面需滿足巷道圍巖變形量小,錨桿(索)支護有效;另一方面需有效節(jié)約煤炭資源。
以極限平衡理論為依據(jù),分析認為窄煤柱最優(yōu)寬度的計算如式(1),塑性寬度、支護有效長度的分布情況如圖1 所示。
圖1 窄煤柱最優(yōu)寬度示意圖
式中:B為窄煤柱最優(yōu)留設寬度,B=X1+X2+X3,m;X1為塑性區(qū)寬度,是指相鄰工作面回采后形成采空區(qū),采空區(qū)圍巖受理狀態(tài)改變,采空區(qū)的側(cè)煤體在頂板及圍巖壓力的共同作用下發(fā)生的塑性變形寬度,m;X3為錨桿的實際有效支護長度(錨固段長度),一般取值 3.0 m;X2按照(X1+X3)×(0.3~0.5)進行計算,作為煤柱穩(wěn)定補充寬度。其中塑性區(qū)寬度X1的由來按式(2)計算。
式中:m為煤層回采厚度,考慮8117 工作面煤層所處的煤體平均厚度為10.2~11.6 m,取回采厚度為10 m;φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角,查資料得出φ0= 30°;C0為煤層界面的黏結(jié)力,查資料得出C0=1.2 MPa;γ為巖層容重,查地質(zhì)資料得γ=25 kN/m3;H為巷道埋深,依據(jù)工作面埋藏深度取值400 m;A 為側(cè)壓系數(shù),與泊松比相關(guān),計算公式如下:A=μ/(1-μ),泊松比μ= 0.17,算得側(cè)壓系數(shù)A =0.21;K圍巖應力集中系數(shù),取平均值 1.7;Px為錨桿施工后,煤幫提供的錨固摩擦阻力,取值0.25 MPa。得到X1= 2.2 m,X2= 1.56 ~2.6 m,B=6.76~7.8 m。為了保證錨桿的錨固力,保證錨桿的支護效果,錨桿的長度需保證錨固段位于穩(wěn)定的煤體,確定煤柱寬度為8.0 m。
2.2.2 數(shù)值模擬
依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際建立模擬方案如下:工作面長280 m(x=[-140,140]),煤層厚度 10 m(y=[0,15]),開挖巷道長度600 m,巷道開挖尺寸為5.0 m×3.5 m,預留煤柱寬度分別為5、8、10 m。通過利用數(shù)據(jù)模型的模擬計算,繪制出煤柱側(cè)垂直應力分布云圖和巷道開挖后應力分布情況圖,分別如圖2 和圖3 所示。
圖2 垂直應力曲線
圖3 沿空巷道開挖后垂直應力曲線
由圖2 可知,工作面回采后煤壁支承壓力的峰值在距離煤壁22 m 位置,距離煤壁10 m 范圍以內(nèi)支撐壓力較小,屬于低應力區(qū);由圖3 可知,巷道開挖后的應力分布有明顯變化,應力向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移趨勢明顯。當煤柱寬度<10 m 時,沿空巷道應力集中現(xiàn)象不顯著,巷道處于低應力區(qū);當煤柱寬度=10 m 時,煤柱有明顯的應力集中現(xiàn)象,煤柱周邊形成應力集中區(qū)。模擬結(jié)果表明:煤柱寬度過大,巷道的維護難度反而增加。由此可見,巷道煤柱寬度不宜過大,應小于10 m 為宜,且當煤柱尺寸為8 m 時,垂直應力明顯較低。
2.2.3 煤柱寬度的選定
綜合考慮8117 工作面地質(zhì)條件及煤柱留設計算方案,5117 巷道成巷斷面寬度為5.2 m 以及考慮塔山礦煤層自燃、采空側(cè)瓦斯溢出等安全因素,綜合確定5117 巷道沿空側(cè)煤柱寬度為8 m。
1)工作面長度220 m。同煤集團塔山礦目前開采一、二盤區(qū)已采工作面長度有270 、280 、281 m,其中二盤區(qū)已完成回采的工作面長度多為270 m。8117 工作面可采長度為281 m,但是不適宜布置2個工作面,且5117 巷掘進過程中揭露夾矸等地質(zhì)構(gòu)造較多,同時結(jié)合8117 工作面實際情況考慮盡可能多的回收煤炭資源,確定8117 工作面回采長度為281 m。
2)8117 頂板高抽巷與5117 回風巷間的高差設計為15 m。8117 頂板高抽巷的底板標高與5117 回風巷的底板標高相錯高差為15 m,并且在2 條巷道預留了長度20 m 的凈煤柱,實現(xiàn)高抽巷與工作面上隅角距離有效縮短,減小瓦斯?jié)B流路徑長度,該設計高差通過縮短高抽巷與上隅角距離實現(xiàn)了工作面上隅角瓦斯有效治理;同時高抽巷也有利用8117 采空區(qū)瓦斯等有害氣體的排放。
3)F1 斷層為正斷層,落差1 m,傾角85°。根據(jù)8117 工作面掘進過程中對該斷層的勘探,該斷層為非含水斷層,對工作面的影響不大;同時,采掘工程平面圖中該斷層位置為推測位置,考慮到本工作面可采推進長度較短及提高資源回收量,故取8117 工作面距F1 斷層最小垂直距離為1 m。在5117 巷掘進過程中要嚴格執(zhí)行“有掘必探,有疑必探,先探后掘”,根據(jù)實際情況采取相應措施,必要時可對方案進行進一步調(diào)整。
4)5117 巷與8112 采空區(qū)間小煤柱寬度8 m。5117 巷與8112 工作面采空區(qū)之間留設煤柱寬度為8 m,選取8117 工作面對小煤柱留設技術(shù)進行現(xiàn)場試驗。留設依據(jù)參見上述沿空掘巷小煤柱寬度選擇方案及原因。
1)8117 工作面東翼8112 工作面,回采結(jié)束時間已超過3 個月,上覆巖層垮落已基本穩(wěn)定,但是8112 采空區(qū)巖層移動未達到充分采動,因此8117煤柱承載的應力更大,回采時礦壓顯現(xiàn)會更加強烈,須加強支護。
2)通過對工作面小煤柱技術(shù)的研究與應用,在較少巷道圍巖移進率、改善巷道穩(wěn)固性的同時,煤柱寬度從38 m 降至8 m,損失率從26 %降低至12 %,有效地降低了煤炭損失率,避免了資源的浪費。
3)通過對同煤塔山煤礦8117 工作面5117 巷內(nèi)鉆孔窺視觀測、支承壓力觀測、頂板運動和結(jié)構(gòu)觀測、巷道表面位移觀測以及頂板離層觀測等現(xiàn)場觀測手段和方法,表明所采取的工作面小煤柱留設技術(shù)能夠保障采煤安全生產(chǎn)。
通過理論計算結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗,確定塔山煤礦8117 工作面預留小煤柱寬度8 m,工作面小煤柱技術(shù)應用以來,有效地避免了寬大煤柱圍巖移進量大導致的巷道變形問題,并且小煤柱技術(shù)有效地實現(xiàn)煤炭損失率的降低,避免了資源的浪費。