張玉鵬,馬振虎,項(xiàng) 敏

(1.中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307；2.南梁礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719400)

0 引言

采用沿空掘巷對(duì)南梁煤礦提高煤炭回收率、降低巷道維護(hù)費(fèi)用、減少礦壓對(duì)巷道的影響、提高礦井服務(wù)年限和經(jīng)濟(jì)效益都有著非常重要的作用[1]。在國(guó)內(nèi)基于以下理論認(rèn)為沿空掘巷在理論上是可行的[2]，即由于沿空掘巷是沿已經(jīng)穩(wěn)定了的采空區(qū)邊線或與采空區(qū)之間留窄小煤柱布置巷道[3]，在該巷掘進(jìn)時(shí)，相鄰采空區(qū)巖層活動(dòng)相對(duì)已經(jīng)終止，其回采期引起的應(yīng)力重新分布也趨于穩(wěn)定，此時(shí)沿空掘進(jìn)的巷道位于應(yīng)力降低區(qū)，為沿空掘巷提供了有利的條件[4-7]。

礦井煤炭損失主要包括煤柱損失、工作面初末采損失及回采工藝損失等，其中煤柱損失占相當(dāng)大的比例。南梁煤礦綜采工作面傾向長(zhǎng)度按240 m，走向2 000 m，煤層厚度為2.0 m，當(dāng)留設(shè)15 m的煤柱時(shí)煤炭損失達(dá)7.8萬(wàn)t，煤炭損失率為5.88%，造成了大量的煤炭資源浪費(fèi)。因此，為了減少煤炭損失、提高經(jīng)濟(jì)效益，采用沿空掘巷是非常有必要的，故選取適用于淺埋煤層理論建立數(shù)學(xué)模型，采用相關(guān)力學(xué)模型和模擬計(jì)算進(jìn)行綜合分析，以確定最佳的窄煤柱合理尺寸[8-10]。

1 工程概況

根據(jù)計(jì)劃，30100工作面順槽掘進(jìn)集中在2018年11月開工和2019年3月竣工，工作面回采時(shí)間預(yù)估為2019年7月至2020年1月。30100工作面作為南梁煤礦沿空掘巷試驗(yàn)工作面，采用傳統(tǒng)沿空掘巷方式方案。30100輔運(yùn)順槽地表相對(duì)位置位于井田東南部，工作面地表為紅草溝，西部為小則溝，東部為紅草灣溝，東南側(cè)為井田邊界。地面標(biāo)高為+1 176～+1 273 m，工作面標(biāo)高為+1 143～+1 160 m。30100輔運(yùn)順槽井下位置位于礦井400 m皮帶巷東北側(cè)，北側(cè)為30102采空區(qū)，西南側(cè)為30001采空區(qū)，東側(cè)為30100工作面切眼(已掘好)，東南側(cè)為井田邊界，上部為2-2煤未開采，30100輔運(yùn)順槽設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為1 035 m。根據(jù)30102工作面實(shí)際揭露頂?shù)装遒Y料，30100工作面頂?shù)装鍡l件見表1。

表1 30100工作面煤層頂?shù)装迩闆r表Table 1 Roof and floor conditions of coal seam in No.30100 working face

2 窄煤柱合理尺寸

2.1 理論分析

南梁煤礦煤炭?jī)?chǔ)量相對(duì)較少，為了實(shí)現(xiàn)煤礦的可持續(xù)發(fā)展，減少煤柱損失提高煤炭回收率是南梁煤礦一項(xiàng)重要的任務(wù)。以南梁煤礦為例，若將15 m煤柱改為5 m煤柱，每采一個(gè)工作面可以減少10 m的煤柱損失，采24個(gè)工作面，即可省出長(zhǎng)240 m的工作面。減少區(qū)段煤柱損失，相應(yīng)增加了采區(qū)的服務(wù)年限，減少采區(qū)的搬遷次數(shù)，緩解采區(qū)接替緊張狀況，同時(shí)因?yàn)樵龃罅瞬蓞^(qū)的服務(wù)年限，為采區(qū)服務(wù)的巷道、硐室和設(shè)備在盤區(qū)內(nèi)的服務(wù)年限就會(huì)延長(zhǎng)，由此減少了固定資產(chǎn)的折舊費(fèi)。南梁煤礦工作面巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯，其主要原因是工作面巷道兩幫均為實(shí)體煤，周圍沒有采空區(qū)，沒有形成大的應(yīng)力集中，且工作面埋深較淺，垂直應(yīng)力較小。下區(qū)段工作面順槽的上幫為相鄰工作面的采空區(qū)，工作面形成的應(yīng)力集中會(huì)影響到此工作面順槽的穩(wěn)定性。因此，為了減少巷道維護(hù)次數(shù)，提高巷道的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，應(yīng)首先對(duì)南梁煤礦窄煤柱寬度進(jìn)行理論計(jì)算。

2.2 理論計(jì)算

根據(jù)沿空掘巷窄煤柱合理尺寸確定原則，窄煤柱寬度應(yīng)該能夠滿足錨桿安裝要求，煤柱不可以過窄，過窄時(shí)導(dǎo)致錨桿錨固段錨固在上區(qū)段引起的破碎區(qū)范圍內(nèi)，從而影響錨桿錨固效果，削弱了錨桿控制效果。根據(jù)極限平衡理論，窄煤柱合理寬度計(jì)算如圖1所示。

圖1 窄煤柱合理寬度計(jì)算示意Fig.1 Calculation of reasonable width of narrow coal pillar

保持煤柱穩(wěn)定的合理窄煤柱寬度計(jì)算公式為

B=x1+x2+x3

(1)

式中，B為窄煤柱寬度，m；x1為采空區(qū)影響的塑性區(qū)寬度，m；x2為窄煤柱幫采用的錨桿有效長(zhǎng)度，并且按照15%富裕系數(shù)增加寬度，m；x3為由于開采煤層為中厚煤層，為保持煤柱穩(wěn)定，考慮到一定富裕系數(shù)，取x3=0.2(x1+x2)。

一些學(xué)者分析認(rèn)為，上區(qū)段工作面回采后，實(shí)體煤上方基本頂破斷位置基本處于彈塑性交接處上方，再以破斷位置為軸，向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)。因此，x1即為基本頂破斷位置距離采空區(qū)的距離X0。斷裂位置距上區(qū)段采空側(cè)煤壁的距離X0計(jì)算見式(2)

(2)

將式(2)帶入式(1)可以得到窄煤柱合理寬度計(jì)算公式

(3)

式中，m為煤層采厚，取2 m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.2，則A=0.25；φ0為煤層界面內(nèi)摩擦角，30°；C0為煤層界面的粘結(jié)力，4 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.5；γ為巖層平均容重，18 kN/m3；H為巷道埋深，100 m；PZ為錨桿支護(hù)對(duì)煤幫提供的支護(hù)阻力，0.25 MPa。

計(jì)算得出x0=2.53 m，錨桿的有效長(zhǎng)度L′取1.3～1.8 m，代入以上公式，得出合理窄煤柱寬度B=4.83～5.55 m。

3 窄煤柱數(shù)值模擬及工程實(shí)踐分析

為了避免現(xiàn)場(chǎng)盲目試驗(yàn)帶來的危險(xiǎn)性，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)窄煤柱留設(shè)進(jìn)行模擬分析，分析在不同窄煤柱尺寸條件下的圍巖力學(xué)參數(shù)變化形態(tài)及圍巖運(yùn)移規(guī)律，從而對(duì)比得出最優(yōu)窄的煤柱尺寸。

3.1 模擬方案的建立

模擬模型的頂板基巖參考距離沿空巷道約330 m處的補(bǔ)3鉆孔柱狀圖和其相近鉆孔資料進(jìn)行建模。考慮到南梁實(shí)際埋深情況以及本次研究的對(duì)象尺寸效應(yīng)，在FLAC軟件中建立了長(zhǎng)200 m，寬150 m，高70 m的庫(kù)倫準(zhǔn)則本構(gòu)模型來進(jìn)行南梁煤礦30100工作面沿空掘巷的模擬開采，由于模型自重載荷與南梁煤礦3號(hào)煤埋深載荷不一致，因此在覆巖頂部施加均布等效載荷代替，邊界條件設(shè)置為允許垂直移動(dòng)，模型底部與左右為非自由端。在只考慮煤柱寬度的影響下，結(jié)合南梁煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D建立計(jì)算模型，分析不同窄煤柱尺寸留設(shè)情況下圍巖的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，并根據(jù)理論計(jì)算分析結(jié)果，確定窄煤柱的留設(shè)范圍為4～7 m，分別進(jìn)行模擬對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 不同尺寸窄煤柱垂直應(yīng)力云圖Fig.2 Vertical stress nephogram of narrow coal pillar with different sizes

3.2 應(yīng)力模擬結(jié)果分析

沿空掘巷巷道開掘之后，淺部圍巖由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，圍巖塑性區(qū)逐漸向深部發(fā)展，影響應(yīng)力分布和圍巖位移規(guī)律，進(jìn)而決定著巷道圍巖穩(wěn)定與否。因此，控制巷道圍巖穩(wěn)定需建立在對(duì)圍巖應(yīng)力分布、位移規(guī)律和塑性區(qū)演化準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)之上，為優(yōu)化窄煤柱留設(shè)寬度提供可靠依據(jù)。

由圖2可知，采用不同寬度煤柱沿空掘巷圍巖垂直應(yīng)力分布有顯著差異，巷道頂板垂直應(yīng)力降低較大，巷道上方形成應(yīng)力駝峰，且頂板錨固區(qū)域形成明顯的應(yīng)力疊加拱；靠近實(shí)體煤方向存在應(yīng)力集中區(qū)，煤柱內(nèi)應(yīng)力存在顯著差異，隨著煤柱寬度增大，煤柱內(nèi)彈性穩(wěn)定區(qū)增大，煤柱上方形成明顯的應(yīng)力疊加，4 m寬煤柱的核區(qū)應(yīng)力明顯高于其他寬度煤柱的應(yīng)力，且6 m和7 m寬煤柱上方應(yīng)力疊加效應(yīng)較4 m和5 m寬煤柱顯著，其不利于煤柱的穩(wěn)定。綜合以上數(shù)值分析、理論計(jì)算和最小煤炭損失原則，認(rèn)為南梁煤礦沿空掘巷合理窄煤柱寬度為5 m時(shí)，在巷道掘進(jìn)期間，煤柱內(nèi)不僅存在彈性穩(wěn)定區(qū)，而且巷道圍巖應(yīng)力疊加效應(yīng)和變形量也較小，因此南梁最佳窄煤柱寬度應(yīng)取5 m。

3.3 工程實(shí)踐

南梁煤礦30100工作面按照5 m窄煤柱寬度掘進(jìn)期間，巷道變形量在28 d內(nèi)變形速率較大，圍巖受力狀態(tài)發(fā)生改變，圍巖在礦山壓力作用下產(chǎn)生形變；28～35 d內(nèi)變形較小，35 d后不再發(fā)生明顯變化，開始趨于平緩，其值在允許的變形范圍內(nèi)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖3所示，錨桿(索)在28 d內(nèi)受力顯著增大，最大分別為14.1 MPa和36.6 MPa；28～35 d內(nèi)，錨桿(索)壓力增加量較小；35 d后錨桿(索)受力不再發(fā)生明顯變化，表明錨桿對(duì)頂板有效的支護(hù)?；夭善陂g，各測(cè)點(diǎn)頂?shù)装遄畲笠平科骄鶠?0 mm，兩幫最大移近量平均為700 mm，工作面機(jī)尾超前0～25 m為工作面超前礦壓顯現(xiàn)區(qū)域，主要表現(xiàn)為：工作面超前回采側(cè)巷道局部片幫，最大片幫深度為400 mm，片幫位置主要為巷道中下部。各測(cè)點(diǎn)錨桿(索)最大值平均為14.3 MPa和38 MPa，說明超前支護(hù)范圍內(nèi)的巷道頂板受超前支承壓力影響明顯；35 m之后錨桿(索)受力趨于穩(wěn)定，但超前支護(hù)范圍以外錨桿受力均大于其初錨力，說明錨桿對(duì)超前支護(hù)范圍內(nèi)的頂板有較大支護(hù)作用。該窄煤柱不但保證其自身穩(wěn)定，而且巷道圍巖變形量較小，有利于巷道穩(wěn)定。

圖3 監(jiān)測(cè)區(qū)錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.3 Monitoring results of bolt(cable)stress in monitoring area

4 結(jié)論

(1)通過采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方法，分析了窄煤柱的應(yīng)力分布特征以及窄煤柱寬度對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，確定了南梁煤礦窄煤柱合理寬度為4.83～5.55 m，考慮該煤層強(qiáng)度相對(duì)較大，確定窄煤柱寬度為5 m，該窄煤柱不但保證其自身穩(wěn)定，而且巷道圍巖變形量較小，有利于巷道穩(wěn)定。

(2)項(xiàng)目的成功實(shí)施，提高了資源回收率，達(dá)到了安全、高效、低耗、低成本、高效益生產(chǎn)的目的，僅30100輔運(yùn)順槽可以增加產(chǎn)值511.29萬(wàn)元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。更新了現(xiàn)場(chǎng)原來傳統(tǒng)的支護(hù)觀念，推廣了先進(jìn)的淺埋中厚煤層沿空掘巷支護(hù)技術(shù)觀念。該研究成果在類似礦井推廣使用，可取得良好的社會(huì)效益。

(3)實(shí)際開采中對(duì)實(shí)體煤一側(cè)巷道幫部未進(jìn)行支護(hù)，在施工過程中局部有片幫現(xiàn)象，在后續(xù)其他工作面回采過程中應(yīng)對(duì)實(shí)體煤一側(cè)巷道幫部進(jìn)行支護(hù)，防止片幫進(jìn)一步發(fā)展。