通合煤矿2106工作面区段煤柱合理宽度研究

杨金龙

(山西乡宁焦煤集团 东沟煤业有限公司,山西 临汾 042100)

在我国山西、陕西、内蒙、新疆等主要产煤区域,煤炭储量大、产量高,为我国经济发展提供了坚实的能源保障。这些主要产煤地区的煤层厚度普遍较大,采用放顶煤采煤工艺取得了良好的经济效益[1-2]。但是,由于一次开采厚度大,矿压显现剧烈,为防止巷道围岩失稳,各大矿区往往采用留设20～40 m的大尺寸区段保护煤柱方式保证开采安全。虽然大尺寸区段保护煤柱有效降低了巷道围岩失稳引发事故的次数,但是由于煤层厚度大,留设区段保护煤柱浪费了大量的煤炭资源[3-4]。如何在保证安全的前提下,有效缩小区段保护煤柱尺寸成为了各大矿企面临的难题。本文以通合煤矿2106工作面为工程背景进行分析。

1 工程概况

通合煤矿位于临汾市乡宁县枣岭乡可涧村,目前主采2号煤层,平均厚度4.5 m,煤层倾角3°～7°,煤层结构简单。2号煤层伪顶为均厚0.3 m的炭质泥岩,直接顶为均厚2.0 m的砂质泥岩,老顶为均厚9.0 m的中砂岩,直接底为均厚8.5 m的泥岩、粉砂岩互层,老底为均厚1.8 m的中砂岩,2号煤层顶底板岩性及厚度如表1所示。

表1 2号煤层顶底板岩性及厚度

按照初始设计,2号煤层相邻工作面间留设30 m的区段保护煤柱,以2106工作面为例,工作面可采走向长度为1 990 m,因留设区段保护煤柱将损失3.76×105t煤,是对煤炭资源的巨大浪费。

2 方案设计

根据通合煤矿2号煤层已采工作面现场矿压监测数据,工作面矿压显现较为强烈。因此,要想达到缩小区段保护煤柱的目的,应先采取合理的卸压及补强支护手段,以避免工作面回采过程中因巷道围岩失稳而引发安全事故。

2.1 卸压方案

根据何满潮院士提出的“切顶短臂梁”理论,采用定向爆破技术将回采巷道及采空区顶板岩层之间的物理联系切断,阻断应力传递路径,可有效改善巷道围岩应力环境,起到切顶卸压的效果[5-6]。同时,工作面回采后顶板岩层可及时垮落充填采空区,对采场上覆岩层起到一定的支撑作用,使得上覆岩层在工作面回采后及时处于稳定状态,不再发生破断、翻转,这样同样可降低采场矿压显现强度。因此,提出在上区段工作面轨道巷进行预裂爆破。

根据通合煤矿地质条件,2号煤层上方分别为0.3 m的炭质泥岩、2.0 m的砂质泥岩和9.0 m的中砂岩。采场上覆中砂岩厚度大,相对较为坚硬,工作面回采过程中不易垮落,形成大面积悬顶,从而导致工作面矿压显现强烈。因此,预裂爆破高度应达到采场上覆中砂岩,即切顶高度应为11.3 m.顶板岩层平均碎胀系数为1.4,若采场上方11.3 m的顶板岩层全部垮落可充满采空区,从而对上覆岩层起到有效支撑作用。综合考虑其他矿井的现场工程经验及施工条件,切顶高度设计为11 m,与垂直方向夹角为15°.卸压方案如图1所示。

图1 预裂爆破孔布置示意

2.2 补强支护方案

2106轨道巷为矩形巷道,巷道尺寸为宽×高=5 000 mm×3 400 mm.为保证在缩小区段保护煤柱尺寸后相邻沿空巷道围岩的稳定性,在原有支护基础上进行补强支护,增大支护密度。根据现场以往支护效果及周边相似地质条件矿井的工程经验,补强后支护参数如下:顶板锚杆选用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢锚杆,间排距为900 mm×900 mm,顶板锚索规格为Φ22 mm×8 500 mm,间排距为900 mm×1 800 mm.帮锚杆选用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢锚杆,间排距为900 mm×900 mm.巷道支护方案如图2所示。

2.3 合理的区段保护煤柱尺寸设计

通过调研周边矿井,得知留设小尺寸区段煤柱时煤柱尺寸一般在6～10 m.综合考虑通合煤矿实际地质条件,借助FLAC3D数值模拟软件,对区段保护煤柱宽度为4 m、8 m、12 m、16 m时巷道围岩应力分布及塑性区范围进行模拟分析。通合煤矿2号煤层及其顶底板岩层物理力学参数如表2所示。

表2 2号煤层及其顶底板岩层物理力学参数

模型尺寸长×宽×高=300 m×300 m×100 m,模型左右表面、前后表面及下表面均施加约束,上表面施加7.0 MPa的垂直荷载,用以模拟上覆岩层对采场的自重影响。

当区段保护煤柱宽度为4 m时,下区段回采巷道采帮出现了应力集中现象,垂直应力最大值为11.2 MPa,煤柱侧垂直应力最大值仅为6 MPa,未出现应力集中现象,表明此时煤柱承载能力较差;当区段保护煤柱宽度为8 m时,下区段回采巷道采帮及煤柱侧均出现了应力集中现象,巷道两帮垂直应力分布基本呈现对称的特点,且垂直应力最大值都在11 MPa左右;当区段保护煤柱宽度为12 m时,下区段回采巷道应力集中现象主要发生在煤柱侧,垂直应力最大值为11.2 MPa;当区段保护煤柱增大到16 m时,巷道围岩应力分布与区段保护煤柱宽度为12 m时比较相似,应力集中位置同样出现在煤柱侧,垂直应力最大值为11.3 MPa.

当区段保护煤柱宽度为4 m时,在上区段工作面回采扰动及围岩应力的双重影响下,区段保护煤柱全部进入塑性状态,此时区段保护煤柱的承载能力较差,并不足以保证现场的安全生产;当区段保护煤柱宽度为8 m时,在煤柱中间约1.5 m区域处于弹性变形状态,说明随着区段保护煤柱尺寸的增大,煤柱的承载能力随之增大;当区段保护煤柱宽度为12 m时,煤柱中间约2.5 m区域处于弹性变形状态;当区段保护煤柱宽度为16 m时,煤柱中间弹性变形区域增大到6 m.

根据数值模拟结果,区段保护煤柱尺寸越大,承载能力越强,但是合理的区段煤柱尺寸应在保证安全生产的前提下,尽可能缩小煤柱尺寸。综合考虑巷道围岩应力分布,确定合理的区段保护煤柱尺寸为8 m.

3 现场试验

按照前述设计方案在通合煤矿2106工作面进行现场试验。2106工作面与相邻2108胶带巷之间留设宽度为8 m的区段保护煤柱,按照前述支护方案对2108胶带巷进行巷道支护。在2106工作面回采前,提前在2106轨道巷按照前述设计方案进行预裂爆破施工。为验证前述设计方案的合理性,在2106工作面回采期间,对2108胶带巷围岩变形进行现场监测,监测曲线如图3所示。

图3 2018胶带巷围岩变形现场监测曲线

如图3所示,当2108胶带巷围岩稳定后,两帮移近量最大值为197 mm,其中煤柱侧变形量最大值为108 mm;顶板下沉量最大值为151 mm;底鼓量最大值为98 mm.整体来看,巷道围岩变形量不大,可以满足现场的安全生产需求。

4 结 语

1) 对上区段沿空巷道2106轨道巷顶板岩层进行预裂爆破,切顶高度为11 m,预裂爆破孔与垂直方向夹角为15°.

2) 下区段沿空巷道2108胶带巷支护参数为:顶板锚杆选用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢锚杆,间排距为900 mm×900 mm,顶板锚索规格为Φ22 mm×8 500 mm,间排距为900 mm×1 800 mm.帮锚杆选用Φ22 mm×2 400 mm的左旋螺纹钢锚杆,间排距为900 mm×900 mm.

3) 通过现场试验,在前述“卸压+补强支护”条件下,留设8 m的区段保护煤柱,巷道围岩变形量不大,可以满足现场的安全生产需求。