特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度综合确定方法

2021-03-24闫寿庆席建辉高晓进

中国矿业 2021年3期

闫寿庆，张震，席建辉，高晓进

(1.扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古满洲里 021410；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

随着开采装备及开采技术水平的不断提高，我国煤炭行业对资源回采率的要求越来越高，传统的20 m以上的大煤柱尺寸已经不能适应当前形势发展的需求。近年来，无煤柱及小煤柱开采技术迅速发展。特厚煤层综放开采由于矿压强烈、采空区遗煤易自燃等影响因素[1-5]，较难实现无煤柱开采，因此采用小煤柱成为特厚煤层综放开采提高资源回收率的主要途径，而小煤柱合理宽度的确定一直是困扰着采矿行业的难题。

针对沿空掘巷小煤柱合理宽度的研究，国内外学者进行了深入的研究，取得了较为丰富的研究成果。陆士良等[6]基于煤柱内应力分布的分区来确定煤柱宽度，同时提出了以煤柱围岩移近量作为衡量煤柱合理的指标；侯朝炯等[7]根据松散介质应力平衡理论，对煤体的应力极限平衡区宽度进行了计算，分析了巷道合理煤柱稳定性尺寸；祁方坤等[8]基于采空侧煤体倾向支承压力分布特征以及护巷煤柱体的极限平衡理论分析，结合数值模拟对综放沿空掘巷护巷窄煤柱留设宽度进行了优化设计；张广超等[9]针对高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度留设问题，推导出低应力区范围表达式，并采用数值模拟软件分析不同回采阶段下煤柱巷道围岩应力与位移演化特征。综上所述，目前针对特厚煤层小煤柱合理宽度的确定多集中于理论计算及模拟分析手段，由于客观研究对象的复杂性及影响的多因素性[5]，研究结果往往与工程实际存在较大差距，而目前采用的现场实测数据分析下的煤柱尺寸的确定，其数据来源单一，无法精准确定煤柱合理宽度。鉴于此，本文以扎赉诺尔矿区灵东煤矿为工程背景，提出了基于JW-6型地下高频电磁波CT系统、钻孔应力监测系统、数值模拟等多手段下特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度的综合确定方法，并依据此方法分析了灵东煤矿特厚煤层综放开采侧向支承压力分布规律及演化规律，确定了特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度。

1 现场概况

扎赉诺尔矿区灵东煤矿北翼三面为特厚煤层综放开采，工作面开采II2煤层，煤层厚度15.0～17.5 m，平均厚度16.32 m，埋深340 m，煤层倾角1°～3°，煤层普氏硬度系数2.5，节理裂隙发育。煤层直接顶为泥岩，厚度12.58 m，之上为粉砂岩、泥岩，厚度分别为1.50 m和19.53 m，底板为细砂岩、泥岩。工作面综合钻孔柱状图如图1所示。

工作面东侧为北翼二面采空区，留设区段煤柱宽度为25 m，西侧为实体煤。工作面割煤高度3.7 m，放煤高度12.62 m，倾向长度208 m，走向长度3 200 m。工作面顺槽采用双巷布置方式。

图1 工作面综合柱状图

2 特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度综合确定方法

针对特厚煤层小煤柱合理宽度确定多集中于理论计算及模拟分析手段、现场实测数据来源单一的现状，本文提出了基于JW-6型地下高频电磁波CT系统、钻孔应力监测系统、数值模拟多手段下特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度的综合确定方法，并依据此方法分析了特厚煤层综放开采侧向支承压力分布规律及演化规律、煤柱承载及变形特征。

2.1 基于高频电磁波分析下煤柱宽度确定

研究表明，高频电磁波CT系统中电磁波吸收衰减系数能够很好地反映煤体内应力的分布状态。较原岩应力区域而言，工作面采动影响区域不同范围煤体内电磁波吸收衰减系数均呈现不同程度的增长，应力集中区电磁波衰减系数要明显高于应力降低区[10-11]。

本文利用高频电磁波CT系统对灵东煤矿25 m煤柱内应力分布状态进行了探测分析，探测方案如图2所示，其中A区为原岩应力区，B区为采动影响区域。

图2 试验钻孔布置方案图

高频电磁波CT探测结果如图3所示。由图3可知，原岩应力A区域煤体内电磁波吸收衰减系数在6.5 dB/m以下；采动影响B区域区段煤柱内呈现单个高吸收异常区，高吸收异常区处于采空区侧向11～16 m区域，高吸收异常区内电磁波衰减系数变化范围在10.0～13.5 dB/m。因此，25 m煤柱内应力峰值高应力区分布于采空区侧11～16 m区域。

2.2 基于钻孔应力监测系统下煤柱宽度确定

回采工作面开采后，已开采范围内上覆围岩承载载荷向区段煤柱移动，采空区侧向支承压力分布规律，对区段煤柱宽度留设具有重要的现实意义[12]。

为得到煤柱内侧向支承压力的分布规律，在灵东煤矿北翼三面回风顺槽内超前185 m范围布置9台钻孔应力监测设备，用于监测侧向支承压力的动态变化特征。布置方案如图4所示，其中测点间距为1.5 m，其中测点1～测点3距北翼二面巷帮分别为6 m、7 m、8 m，测点4～测点9距巷帮为10～15 m。分析煤柱内不同时期、不同位置处围岩应力，如图5所示。

图3 煤柱不同区域高频电磁波CT探测成果解释

图4 钻孔应力监测设备布置方案

由图5可知，在工作面由超前测点40 m推进至采空区后方200 m的过程中，煤柱内侧向支承压力先后经历了“增长-降低-二次增长-平稳”四个阶段。当各测点进入采空区后方35 m时，应力峰值转移至煤柱内14 m位置；随后，侧向顶板继续回转直至采动稳定，结合图5可知，煤体内各位置应力传感器监测应力继续增大，煤柱内12～14 m位置处应力集中程度超过首次应力峰值并逐渐趋于稳定，15 m位置处测点应力变化幅度较小，表明其应力峰值位置稳定于煤柱内15 m以内。因此，总结分析可知，回采工作面区段煤柱应力峰值处于煤柱内15 m位置处，即煤柱内0～14 m范围为破碎区和塑性区。

2.3 基于数值模拟分析下煤柱宽度确定

为更好地指导煤柱宽度的留设，基于工作面综合柱状图，采用数值模拟分析了不同宽度煤柱尺寸下围岩的变形状态。模拟煤柱宽度分别为5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m时。模型基础参数见表1，模型尺寸320 m×200 m，上边界施加垂直载荷5.25 MPa，以模拟上覆地层的重力作用，左右边界施加水平位移约束。三维模型如图6所示。

图5 煤柱内应力分布规律

表1 煤层及顶底板岩石物理力学性质

图6 三维模型

分析不同宽度煤柱破坏特征及应力分布规律可知，当煤柱宽度在5.0～10.0 m范围内，其煤柱整体均已发生塑性破坏，煤柱内部承载载荷多为2～4 MPa，煤柱本身不再承载较大载荷，如图7所示。

图7 不同煤柱宽度下围岩应力分布

图8 不同煤柱宽度下煤柱变形状态

图8为不同煤柱宽度下煤帮的变形情况。由图8可知，沿空小煤柱开采，煤帮变形多在0.8 m以上，随着煤柱宽度的逐渐增大，煤帮变形量呈现逐渐减小的趋势。当煤柱宽度由5 m增加到8 m时，其煤帮变形由1.4 m急剧减小至0.8 m；当煤柱由8 m继续增加至10 m时，煤帮变形量不再发生较大的变化。

2.4 煤柱宽度确定

区段煤柱是指走向长壁工作面之间留设的保护煤柱，其主要作用是隔离采空区。区段煤柱宽度决定着下一工作面沿空巷道的位置，煤柱宽度不同，沿空巷道所受的矿压影响不同。因此，一般将避开采动支承压力峰值作用范围作为确定沿空巷道位置或区段煤柱宽度的主要依据。

根据区段煤柱留设的基本原则，巷道应布置于侧向应力降低区域。高频电磁波CT探测结果表明，煤柱内应力峰值(煤柱内高吸收异常区)分布于采空区侧11～16 m区域，沿空小煤柱巷道可布置在采空区侧16 m范围内，此时小煤柱合理宽度范围6～11 m；煤体内应力分布规律现场实测表明，单侧工作面回采后，侧向应力峰值位于煤柱侧向14 m位置处，煤柱内塑性区宽度为0～14 m，沿空小煤柱巷道可布置在采空区侧14 m范围内，小煤柱宽度范围应小于9 m；数值模拟表明，随着煤柱宽度的逐渐增大，煤帮变形量呈现逐渐减小的趋势，特厚煤层沿空掘巷小煤柱宽度增大到8.0 m时，煤帮变形量不再发生较大的变化。

综上所述，考虑到巷道宽度尺寸，煤柱合理宽度范围应为6.0～9.0 m。

3 特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱应用

基于以上研究成果，将小煤柱在新二采区左三片进行了应用，煤柱宽度8.0 m，支护方案及应用效果如下所述。

3.1 沿空掘巷小煤柱围岩支护方案

小煤柱巷道断面形状为小弧形断面，断面尺寸5 000 mm×4 200 mm(宽×高)(图9)。现场沿空掘巷小煤柱围岩支护方案如下所述。

图9 特厚煤层综放开采巷道支护断面图

1) 顶板支护。锚杆采用杆体为18 mm左旋高强螺纹钢锚杆，长度2.1 m，采用加长锚固方式，锚杆间排距800 mm×1 180 mm，锚固长度为1 200 mm，280 mm×200 mm×75 mm槽钢托盘，5 mm圆钢编制而成的钢筋网，网片规格2 000 mm×1 180 mm，网眼尺寸为110 mm×130 mm。锚杆锚固力7 t。锚索为15.24 mm，钢绞线锚索，长度5 300 mm，树脂加长锚固，锚固长度2 416 mm；采用每排两根和每排一根交错布置，排距800 mm，间距1 180 mm，锚索锚固力12 t。

2) 两帮支护。采用的锚杆、护具的规格及布置方式同顶板。采用的锚索型号、护具的规格及布置方式同顶板。小煤柱帮采用长度为4 300 mm锚索进行补强支护，间距1 180 mm。

3.2 沿空掘巷小煤柱围岩变形监测

为监测小煤柱巷道围岩变形，工作面回采期间分别对顶底板及两帮移近量进行了观测。小煤柱巷道围岩的变形监测结果如图10所示，巷道变形现场情况如图11所示。由图10和图11分析可知，随工作面不断推进，围岩变形量呈现增加趋势，超前工作面120 m处，两测点顶底板移近量分别为50 mm、100 mm，两测点两帮变形量分别为50 mm、60 mm；工作面推进至测点位置，两测点顶底板移近量分别增至230 mm、250 mm，两测点两帮变形量分别为250 mm、210 mm。顶底最大变形速率为25 mm/d，两帮最大变形速率为12 mm/d。