柏新宇

(潞安化工集團 常村煤礦，山西 長治 046102)

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占主體地位，根據(jù)國土資源部統(tǒng)計，90%的煤炭資源埋深較大，需采用井工開采，而基于我國煤炭的賦存特征，普遍采用長臂式采煤工藝[1]，進而不可避免會留設保護煤柱。開采過程中巷道保護煤柱留設尺寸過小，準備巷道受超前應力影響會出現(xiàn)底鼓、頂板冒落等現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性難以保證，而煤柱留設過大又容易導致資源浪費[2-3]。保護煤柱合理留設的寬度設計主要依靠工程類比法確定，為保證使用安全，在實際工程設計時依經(jīng)驗一般會留設較寬的煤柱，這不僅會造成大量煤炭資源的浪費，而且嚴重影響礦井的經(jīng)濟效益。為此我們需對綜放面停采線的位置確定進行深入研究，在保證安全開采的同時提高煤炭資源的采出率。

采礦工作者研究發(fā)現(xiàn)，工作面停采線位置的確定與煤層埋深、煤巖體的物理力學性質(zhì)、工作面推進長度、超前支承壓力等因素有關(guān)[4]。劉長友[5]等通過相似模擬試驗以及現(xiàn)場實踐研究發(fā)現(xiàn)，在周期來壓之后撤架有利于維護頂板穩(wěn)定性，并據(jù)此提出了合理的停采線位置；孫興忠等[6]以塔山礦綜放工作面為地質(zhì)背景，研究了大采高綜放工作面超前支承壓力分布特征并有效優(yōu)化了煤柱尺寸；崔玉江[7]通過液壓傳感器、聲發(fā)射法對綜放工作面超前支承壓力分布及影響范圍進行了實測分析，并據(jù)此優(yōu)化了煤柱尺寸。綜上，大多數(shù)學者對于工作面停采線位置確定的主要依據(jù)來源于開采動壓所產(chǎn)生的超前支承壓力影響范圍并據(jù)此提出合理的煤柱寬度，對于切頂卸壓后巷道的保護煤柱留設尺寸研究卻相對較少。

我國針對厚硬頂板的切頂問題主要采用水力壓裂法和爆破法[8-9]。其中爆破法由于現(xiàn)場施工簡便、切頂效果明顯、對工作面產(chǎn)生的影響較小等優(yōu)勢在我國煤礦生產(chǎn)中具有較廣的適用范圍。但爆破會污染井下空氣，影響勞動工作者的身心健康，且爆破效果不易控制，在高瓦斯礦井中應用流程較為復雜。相對于爆破，利用高壓水擴大巖層裂隙發(fā)育，使頂板在原巖應力作用下沿人為裂隙自然垮落的水力壓裂切頂方法則可以有效適用于礦井高瓦斯環(huán)境。該技術(shù)不僅能夠有效弱化巖層強度、降低頂板沖擊傾向性，還可以起到預先釋放煤層瓦斯、抑制煤層自燃的作用。

本文結(jié)合常村煤礦工程地質(zhì)概況，在采礦科研工作者的研究基礎(chǔ)上，對綜放工作面末切頂卸壓情況下停采線位置進行研究，對準備巷道保護煤柱的留設尺寸進行優(yōu)化，在保證安全高效開采的同時極大提高煤炭資源的回采率，可為同類工程提供理論依據(jù)及有益參考。

1 工程概況

常村煤礦主要開采3號煤層，為保證準備巷道在其服務周期內(nèi)圍巖穩(wěn)定，準備巷道保護煤柱留設寬度為70～80 m.如圖1所示，如2106綜放面停采線位置距離470東翼1號回風巷的保護煤柱寬度約為70 m，2202綜放面停采線位置距離22采區(qū)2號回風巷的保護煤柱寬度為80 m.

圖1 采掘工程平面圖(m)

2106工作面采用綜放開采，自然垮落法管理頂板。如圖2所示，煤層厚度為4.0～7.84 m，均厚5.92 m，傾角為3～15°，平均傾角為9°，煤層平均埋深為430 m.煤層直接頂為2.8 m厚的泥巖，基本頂為6.6 m厚的中粒砂巖，底板為較薄的泥巖、細粒砂巖層。

圖2 綜合地質(zhì)柱狀圖

本文以常村煤礦2106綜放面為工程背景進行研究，利用水力壓裂切頂技術(shù)消減采動對準備巷道的影響，優(yōu)化采停采線位置，縮小保護煤柱的寬度，提高煤炭資源的采出率，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的同時保證礦井安全高效生產(chǎn)。

2 準備巷道保護煤柱留設尺寸優(yōu)化分析

煤炭資源回采后，原煤體區(qū)域出現(xiàn)大片自由空間，覆巖自由垮落，工作面末端覆巖在煤壁的支撐作用下，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示。懸臂梁在回轉(zhuǎn)下沉過程中擠壓煤體，在煤體中形成超前應力，超前應力分布先增大后減小，隨著與工作面距離增大，超前應力恢復至原巖應力或接近原巖應力狀態(tài)。

圖3 回采后懸臂結(jié)構(gòu)示意

自工作面末端繼續(xù)向準備巷道方向，煤體受超前應力影響，可依次將工作面前方煤體劃分為破裂松散區(qū)(I)、塑性發(fā)育區(qū)(II)、彈性煤體區(qū)(III)、原巖應力區(qū)(IV)4個區(qū)域，見圖4.I區(qū)位于工作面正前方，由于自由面應力得到釋放，其應力小于原巖應力，但由于自由面的存在，煤壁較為破碎；II區(qū)為應力升高區(qū)，此處應力大于原巖應力，煤體由于高應力集中而產(chǎn)生塑性破壞；III區(qū)位于應力升高區(qū)之后，應力值逐漸下降，為應力降低區(qū)，但仍然大于原巖應力，在此范圍內(nèi)煤體主要發(fā)生彈性變形；IV區(qū)為原巖應力區(qū)，此處煤體不受超前支承壓力影響。

圖4 力學模型圖

結(jié)合上述力學模型，令塑性區(qū)的水平應力為σx，塑性區(qū)的垂直應力為σz，煤層厚度設定為m，煤巖體分層面的摩擦系數(shù)為f，則巷道彈塑性區(qū)域的極限平衡方程如下[4,10]：

m(σx+dσx)=mσx-2σzfdx=0

(1)

通過求解平衡方程可得塑性區(qū)垂直應力為：

(2)

式中：N0為煤幫的支撐能力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，°.

為滿足正常安全工作，煤壁的承載能力需滿足：

(3)

聯(lián)立公式(2)和公式(3)綜合可得塑性區(qū)垂直應力表達式為：

(4)

根據(jù)超前支承壓力理論，超前應力峰值可表示為K倍的上覆巖層的自重應力，則令σz=KγH，可以得到綜放面前方超前支承壓力峰值所在位置到工作面煤壁的距離：

(5)

式中：x0為超前支承壓力峰值與工作面煤壁的距離，m；C為內(nèi)聚力，MPa；K為應力集中系數(shù)；γ為工作面上覆巖層的容重平均值，一般取25 kN/m3；H為上覆巖層的厚度，m.

常村煤礦2106工作面平均煤層厚度5.92 m，工作面埋深H取430 m，煤體內(nèi)聚力取0.85 MPa，內(nèi)摩擦角為37°，應力集中系數(shù)取3.根據(jù)上述參數(shù)計算可得超前支承壓力峰值點到工作面煤壁距離x0=10.2 m.確定了x0以后，圖中彈性區(qū)的垂直應力為：

(6)

x=x1+x0

(7)

(8)

根據(jù)公式(8)可得到該地質(zhì)條件下超前支承壓力彈性區(qū)范圍為56.2 m，根據(jù)超前支承壓力的四分區(qū)理論，結(jié)合破裂區(qū)、塑性區(qū)范圍可得到工作面超前支承壓力影響范圍約為66.4 m.在此情況下準備巷道保護煤柱的長度應大于66.4 m.

3 綜放面合理停采線模擬分析

結(jié)合常村煤礦2106工作面的煤層地質(zhì)情況，采用犀牛軟件建立數(shù)值模擬模型，導出Griddle有限差分FLAC3D軟件網(wǎng)格，建模過程中提前設立切縫，模擬切頂卸壓，模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模擬模型

模型尺寸為320 m×200 m×75 m，數(shù)值模型中各巖層、煤層物理力學性質(zhì)參數(shù)測定如表1所示。模擬煤巖體本構(gòu)模型設定為摩爾庫倫模型，在模型頂部施加9.75 MPa力以補償原巖應力，并約束四周及底部邊界，工作面沿X軸布置，沿Y軸推進，模型兩側(cè)留設25 m的煤柱，以消除邊界效應的影響，提取停采線后的不同位置的應力值，繪制曲線如圖6所示。

表1 煤巖層物理力學參數(shù)

圖6 超前應力分布折線圖

工作面停采后，三向應力中，豎向應力變化最大，故此豎向應力應作為停采位置選擇的主要參考，如圖6所示，未切頂情況下，豎向應力峰值為31.88 MPa，應力集中系數(shù)為2.97，距離停采線11.0 m，距離停采線66.5 m處的應力值為10.77 MPa，已恢復至接近原巖應力狀態(tài)，數(shù)值模擬與理論分析結(jié)果相一致，為進一步研究不同準備巷道保護煤柱尺寸情況下巷道圍巖變形情況。

未切頂情況下，煤柱留設寬度為50 m時，準備巷道受回采影響較大，巷道兩幫表現(xiàn)為非均勻破壞，巷道左幫受回采影響較大，變形量也較大，巷道左幫最大變形量為207 mm，巷道右?guī)妥畲笞冃瘟繛?4 mm，巷道底板鼓起量均值為120 mm，巷道底板中心線左側(cè)區(qū)域底鼓量較右側(cè)大；煤柱寬度增大至60 m時，左側(cè)變形量仍大于右側(cè)，且頂?shù)滓平咳暂^大；當煤柱寬度增大至70 m時，巷道變形量明顯減小。未切頂時不同煤柱寬度準巷道變形情況見圖7，切頂時不同煤柱寬度準巷道變形情況見圖8，不同情況變形統(tǒng)計見圖9.

圖7 未切頂時不同煤柱寬度準巷道變形情況

圖8 切頂時不同煤柱寬度準巷道變形情況

圖9 不同情況變形統(tǒng)計

在未切頂情況下，煤柱自50 m增加至60 m，準備巷道圍巖變形量雖有減小，但整體變化不大，而當煤柱自60 m升至70 m時，巷道圍巖變形得以控制。而在切頂情況下，煤柱寬度為50 m時，準備巷道受回采影響變形量較大，但煤柱寬度增大至60 m時，非均勻破壞得以明顯控制；煤柱寬度繼續(xù)增大70 m，巷道圍巖變形再次減小，但變化較小。故此未采取切頂卸壓技術(shù)措施時，準備巷道煤柱寬度應在70 m以上，而切頂卸壓后準備巷道煤柱留設可設定為60 m.

4 綜放停采切頂應用及礦壓實測

目前主要的切頂技術(shù)有爆破卸壓及水力壓裂兩種方式，對比兩種方式的施工特點及礦井的瓦斯含量，結(jié)合常村煤礦綜放工作面工程地質(zhì)條件，最終選定水力壓裂法對停采位置的工作面頂板進行切頂卸壓。首先，根據(jù)切頂位置布置壓裂鉆孔并在鉆孔內(nèi)預設位置利用切槽鉆頭布置橫向切槽。布置完成后，通過鉆孔窺視儀檢查切槽質(zhì)量。接著布置注水鋼管以及封孔器。設備連接完成后，對封孔段進行注水壓裂，對封孔器進行手動加壓，進行橫向切槽，最終在停采線頂板切出卸壓縫，切頂后效果如圖10所示。

圖10 切頂卸壓效果圖

為驗證理論分析及數(shù)值模擬的研究結(jié)果，在2106工作面停采線對應區(qū)域的準備巷道采用十字布點法布置巷道表面位移監(jiān)測測站，監(jiān)測工作面停采后巷道圍巖破壞變形情況，監(jiān)測周期共計60 d，監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

圖11 巷道圍巖變形監(jiān)測曲線圖

在監(jiān)測的第10 d，工作面達到停采位置，停采后25 d左右準備巷道圍巖變化達到穩(wěn)定狀態(tài)，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装遄畲笠平繛?41 mm，兩幫最大移近量為119 mm，與模擬結(jié)果一致，表明優(yōu)化準備巷道保護煤柱后采取切頂卸壓技術(shù)措施可有效對礦山壓力及巖層進行控制。

5 結(jié) 語

本文以常村礦2106工作面實際概況為背景，采用多種研究手段相結(jié)合的方法，對綜放面末端進行切頂卸壓以研究其合理停采位置，共得出以下結(jié)論：

1) 通過理論分析計算得出未切頂時停采線前超前應力影響范圍為66.4 m，停采線前煤體受超前應力影響可劃分為破裂松散區(qū)、塑性發(fā)育區(qū)、彈性煤體區(qū)3個區(qū)域，超前應力影響范圍外為原巖應力區(qū)，準備巷道應布置于原巖應力區(qū)。

2) 通過對比不同煤柱尺寸下切頂與未切頂時準備巷道圍巖塑性破壞及變形情況，得出在未切頂情況下，煤柱尺寸應大于70 m，工作面切頂卸壓技術(shù)后準備巷道保護煤柱尺寸可優(yōu)化至60 m.

3) 現(xiàn)場停采線布置于準備巷道外60 m，礦井絕對瓦斯涌出量較大，不易爆破切頂，確定采取水壓致裂對綜放面末端進行切頂，切頂后對準備巷道變形監(jiān)測，巷道整體變形量小，可保證在服務周期內(nèi)安全穩(wěn)定使用。