浸水区段大煤柱合理性留设及应用实践

2022-05-08肖自义王建华满操

现代矿业 2022年4期

肖自义王建华满操

（1.国家矿山安全监察局山东局；2.济宁矿业集团有限公司霄云煤矿；3.山东能源集团冲击地压灾害防治研究中心）

随着煤矿开采深度的不断加大，冲击地压以及由此诱发的次生灾害性事故在频度和强度上也逐步提升［1］。文献［2-7］采用现场实测、数值模拟、相似模拟、理论计算对综放工作面不同煤柱宽度进行了研究，结果表明，大煤柱能够保持巷道的稳定性。文献［8-13］通过理论分析结合现场实测等方法得到不同煤柱宽度下巷道围岩应力及变形规律。文献［14-17］对大煤柱工作面的防冲技术进行了研究，对支护参数进行了优化。受几个方向集中应力的叠加作用，煤柱是容易产生应力集中的地点，由于煤层和围岩的结构不同、煤柱宽度和埋藏深度不同，煤柱自身的应力要比原始应力大好几倍，且最大应力多出现在靠近煤柱边缘部位。回采工作面沿空留煤柱时，受采动超前支承压力的影响，煤柱内部往往容易产生应力叠加，达到一定程度后，工作面顶板活动将扰动煤柱结构失稳而引发冲击地压现象。

综上，对于冲击地压防治，通常采用小煤柱（小于5 m）或大煤柱（大于50 m），很少对于30 m 左右宽度的煤柱及其防冲技术进行系统深入的研究。本研究以霄云煤矿1314 工作面区段大煤柱留设为工程背景，提出了宽煤柱冲击地压防冲技术，并通过应力监测系统和钻屑法进行了效果验证，验证对于淹水工作面采用区段大煤柱护巷（30 m 左右）的合理性。

1 1314工作面简介

2018 年9 月11 日，霄云煤矿出现透水淹井事故，透水事故前1314 工作面已经形成，因矿井受水淹影响（水压约3 MPa，浸泡时间约100 d），对煤层及围岩形成注水效应。一方面煤体的整体性遭到破坏，具体表现为煤的塑性变形增大，煤体强度有所降低；另一方面，顶板岩石受水浸泡，水通过岩石的孔隙等弱面进入岩体内，从而破坏了岩体的整体性，降低了岩石的强度，也引起顶板积聚弹性的能力降低。由于巷道支护体内的煤岩体受长时间浸泡作用，支护体系内煤岩体强度降低，抗压能力、抵抗动载扰动的能力有所降低。因此，在巷道的修复过程中，必须加强巷道支护，从而抵消支护体受水浸泡带来的强度降低影响。

霄云煤矿1314 综采工作面位于矿井一采区南部，工作面标高为-611～-665 m，总回采长度为954 m，工作面胶带顺槽沿1312 采空区布置，留设煤柱4.5 m，东、西、南侧无采掘活动。工作面主采3 煤层，平均厚度为3.2 m，直接顶、老顶为细砂岩，厚度分别为2.7，10.9 m，工作面掘进揭露小断层4条，落差均较小。1314 工作面内发育2 条冲刷变薄区。其中1 条冲刷带位于1314 工作面西部，另1 条冲刷带位于工作面中间位置。图1为1314工作面平面布置。

2019 年4 月份开始对1314 工作面进行修复，当修复1314胶带顺槽位置距切眼约530 m位置处时，发现巷道出现变形、支护失效，特别是巷道煤柱以及泥钙质胶结顶板岩层，局部发生大面积冒顶，严重影响了胶带顺槽的正常使用。通过修复原胶带顺槽到达7 m 左右时，部分巷道变形破设计切眼位置存在较大冒顶安全风险，需要留设一定宽度的煤柱，平行于原胶带顺槽，重新开掘一条巷道作为新的胶带顺槽。

2 煤柱宽度数值模拟研究

2.1 数值模型建立

为了确定1328 工作面开采过程中工作面应力分布情况，按实际地质和开采条件，利用FLAC3D建立数值模型。模型走向长度为1 408 m，倾向宽度为864 m，高度为69 m。模型中包括10组岩层，共划分96 160个节点，87 260个单元。模型底部限制水平和垂直向的位移，侧面限制水平向位移，顶部为自由边界。

模型荷载条件：1328 工作面平均埋深约为670 m，重力梯度取值0.025 MPa/m，则在顶部施加16.75 MPa荷载；取水平应力为垂直应力的1.5倍，在模型四周施加25.125 MPa 的均布荷载。模型采用摩尔—库伦强度准则。各岩层的力学参数见表1。

2.2 模拟方案及结果

利用FLAC3D数值模拟软件，对不同宽度煤柱工作面回采至见方位置进行了模拟，分别按照20，22，24，26，28，30 m 宽度留设煤柱，并分别按照工作面单面见方及双面见方2种推进距离开挖工作面，得到了1314工作面煤柱垂直应力分布，见图2、图3。

根据不同煤柱宽度工作面开采至单、双面见方位置时发现，煤柱越宽，应力峰值及水平变形越小，而煤柱宽度越小时，在回采初期就会产生较大的应力降，可以推断煤柱发生了失稳破坏。当煤柱宽度达到28 m 左右时，其在1314 工作面回采至见方时垂直应力均较小，且随着工作面继续推进，顶板及上覆岩层能够及时垮落，超前应力峰值变化不大，不影响巷道的使用。因此，确定胶带顺槽留设28 m 宽的区段煤柱。

为进一步确定工作面不同回采阶段煤柱为28 m时的稳定性，对煤柱留设宽度为28 m、开切眼设置在距边界280 m时的开采过程进行模拟。工作面分4次开挖，每次推进200 m。图4 展示了工作面不同开挖阶段塑性区演化情况。

由图4 可知，随着工作面推进距离的增加，塑性区（绿色区域）由煤柱边缘逐渐向煤柱中心扩展。当工作面推进800 m 时，煤柱塑性区范围达到最大，煤柱破坏形式多样，包括剪切破坏和拉伸破坏，但在煤柱中心仍有相当大的区域为弹性状态，即能使煤柱留有较大部分的弹性核，保持一定的支撑能力。

3 宽煤柱冲击地压防治技术

由于工作面内煤体受矿井突水事故的影响，煤体浸水后使得工作面回采需留设大煤柱以保证其稳定性。因此，大煤柱受采动影响内部能量积聚易发生冲击地压事故成为了制约工作面安全回采的关键。根据前文数值模拟研究可知，工作面设计煤柱宽度为28 m，由于受采动影响，浸水大煤柱内部的弹性核区要高于原岩应力，且煤柱两侧会出现不对称的应力峰值，对于大煤柱冲击地压防治需要进行针对性防治措施。以下为本工作面冲击地压支护及防治实践具体措施，可以为类似工作面安全回采提供借鉴意义。

（1）主动支护：巷道顶板均采用锚网索+T 型钢带支护，锚杆采用ϕ20 mm×2 400 mm 高强度锚杆，帮部采用锚网+#型W 钢护板支护。锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，沿巷道中心线两侧各1 000 mm布置1 排锚索，锚索规格ϕ21.6 mm×6 200 mm，锚索间距为2 000 mm×2 000 mm。1314 工作面两顺槽布置了2路单元支架进行超前支护，超前支护距离不小于120 m。

（2）利用微震监测、应力在线监测、钻屑监测、电磁辐射等手段对28 m 宽的区段煤柱进行了开采全过程监测，同时针对沿煤柱影响的回采区域进行主动震动波CT反演，进一步探测工作面应力集中情况。

（3）强化大煤柱卸压。掘进期间对新胶带顺槽两帮施工预卸压钻孔。巷道掘进完成后在工作面安装过程中，对28 m 煤柱及胶带顺槽巷道上帮重新进行一轮预卸压孔施工。工作面回采期间，自切眼向外对塌孔严重的钻孔又进行了一轮套孔或补打。钻孔深度不小于20 m。

（4）顶板爆破卸压。在胶带顺槽大煤柱侧采用爆破断顶方法进行卸压，断顶区域如图5所示。由于胶带顺槽布置运输系统，空间相对较为狭小，主要采用小孔径、高密度钻孔布置方式，钻孔间距3 m，孔深20 m，每孔装药不小于7 kg。

4 卸压效果分析

为了验证工作面卸压措施的效果和工作面大煤柱区域稳定性，下面以微震监测、应力在线和煤柱变形量监测结果为例分析煤柱稳定性情况，见图6。

胶带顺槽区域微震事件较多，裂隙急剧发展，事件多集中在煤柱侧，而轨顺侧基本没影响，表明煤柱侧应力集中度高，煤柱上方受到应力的作用，裂隙发育且产生变形。整体来看，1314 工作面在此阶段内，胶带顺槽小能量事件较多，且无出现103J 级大能量事件，但现场无明显动力现象，整体微震能量较小，判断工作面老顶垮落强度较低，呈现分层垮落特征，这与老顶的岩性、内部结构以及裂隙发育等密切相关。