王坡煤业综放工作面区段煤柱优化及应用

蒋春林

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

1 概 况

山西天地王坡煤业有限公司3209 工作面北部为井田边界，东部与3207 工作面相邻，南部为3条大巷，西部为实体煤，整体走向北高南低，工作面开采3 号煤层，平均厚度5.5m，开采范围属于简单类构造，区段煤柱宽度多为19～20 m，为进一步提高资源利用率，以3209 工作面辅运顺槽沿空掘巷为背景，对其煤柱留设宽度进行优化研究。王坡煤业采煤工作面采用U 型布置方式，即沿3号煤层底板布置工作面胶运顺槽、辅运顺槽及开切眼，回采巷道高度均为3.2 m，胶运顺槽宽4.7 m，辅运顺槽宽5.0 m，采用锚网与锚索联合支护，锚杆采用φ22 mm 螺纹钢，长度2.0～2.4 m，锚索直径22 mm，长度4.3～7.3 m，锚杆外露不得大于200 mm，锚固长度1 208 mm，锚索外露不大于300 mm，锚固长度1 970 mm。起吊托盘400 mm×400 mm×15 mm，托盘使用15 mm 厚的钢板与φ32 圆环链通过φ32 半圆环链连接。锚杆尾螺纹规格M24，采用滚压加工工艺成型。锚索为1×19股低松弛高预应力钢绞线，SKP22-1/1860-7300，直径22 mm，长度7 300 mm，极限拉断力550 kN，延伸率7%。锚杆布置间排距为900 mm×900 mm，顶板锚索采用“三二三”五花布置方式，布置间排距为1 800 mm×1 800 mm，煤柱帮短锚索布置排距为1 800 mm。以辅运顺槽为例，其支护断面如图1 所示。

图1 辅运顺槽支护断面Fig.1 Support section of auxiliary transport crossheading

2 煤柱表面松动破坏情况实测

为考察区段煤柱现有宽度条件下煤柱及巷道稳定性，在3205 工作面与3207 工作面间区段煤柱合理位置，采用弹性波测试法测试煤柱两侧及巷道顶板塑性破坏情况[1]，测试钻孔直径不小于35 mm，帮部煤柱上测试钻孔深度3 m，同一测试位置布置2 个钻孔，间距20 cm，顶板测试孔垂直顶板施工，深2 m，每组1 个钻孔，区段煤柱3205 工作面一侧布置2 组钻孔，均布置在超前支护区，第一组钻孔距回采工作面10 m，每组钻孔间相隔30 m，煤柱3207 工作面一侧前2 个测站与另一侧对称布置，第三组测试钻孔再向工作面推进方向移动30m，测试钻孔布置如图2（a）所示，采用弹性波测试仪测试钻孔内不同深度的传播速度，得到图2（b）～（c）所示结果。

根据图2 煤柱不同深度声波传播速度变化规律可以看出，煤柱两侧及顶板浅部围岩内声波传播速度较慢，说明该部分围岩内裂纹较多，煤岩体较破碎，当深度达到某个值后，声波传播速度增大，速度迅速减缓，说明该处煤岩体裂纹较少，整体性较好，且差异性不大，由此可判定该深度值即为松动圈发育的深度，得到煤柱在3205 胶运顺槽侧松动圈发育深度为0.8 m，煤柱在3207 辅运顺槽侧松动圈发育深度为0.7 m，3207 辅运顺槽顶板松动破坏深度为0.6 m，根据巷道支护围岩松动圈分类表可将王坡煤业3 号煤层二采区巷道围岩判别为II 类较稳定围岩，松动圈发育范围为40～100 cm，现有支护条件下，巷道及煤柱稳定性好，具备区段煤柱宽度优化减小的条件。

图2 松动圈测试位置及波速测试结果Fig.2 Loose ring test location and wave velocity test results

3 煤柱合理宽度模拟研究

为探究不同煤柱宽度条件下，巷道围岩及煤柱的稳定性，根据3207/3209 工作面现场地质条件及工程实际，建立FLAC3D 数值模型[2]，具体参数见表1。建立模型的走向长度为632 m，倾斜长度350 m，高度140 m，其中共有个766 656 个网格，808 424 个节点，模型如图3 所示。

图3 三维数值模型示意Fig.3 Three-dimensional numerical model

采用上述模型进行模拟分析，设置区段煤柱宽度为6～20 m，3207 工作面充分采动影响后，煤柱内塑性破坏分布规律如图4（a）～图4（d）所示，煤柱两侧均出现一定深度的塑性区，煤柱宽度越小，塑性区的发育深度和范围越大，当煤柱宽度为6～8 m 时，煤柱中上方岩层由采空区侧延伸至巷道肩角，此时煤柱对于上覆岩层的支撑能力下降[3-4]，不利于二次采动时巷道围岩的整体稳定，因此可知煤柱宽度不应小于8 m。图4（e）为二次采动期间，超前工作面10 m 处3209 辅运顺槽表面变形量随煤柱宽度的变化规律，煤柱宽度在6～10 m变化时，巷道表面变形量降低明显，煤柱宽度由10 m 继续增大为12 m，围岩变形量基本无明显变化，表明10 m 煤柱能够取得良好的护巷效果且经济效益相对较好。图4（f）为3209 工作面回采期间，工作面前方10 m 处煤柱内垂直应力分布规律，煤柱宽度大于10 m 时，垂直应力呈“M”形分布，说明此时煤柱具有良好的支撑性能，应力峰值比煤柱宽度为8 m 时显著增大，且与煤柱宽度12～20 m 无明显差异，进一步说明了煤柱宽度为10 m 时具有良好的支撑性能，综上可得，3209 工作面区段煤柱最佳宽度为10 m。

图4 数值模拟研究结果Fig.4 Numerical simulation results

4 应用效果

王坡煤业3209 工作面辅运顺槽与3207 工作面胶运顺槽间区段煤柱宽度为10 m，3209 辅运顺槽掘巷阶段及邻近3207 工作面开采期间，围岩稳定性良好，表面未出现明显的变形破坏现象，在3209 工作面回采期间，采用十字交叉法监测巷道表面变形量，布置在3209 辅运顺槽里程450 m 处测站的监测结果如图5 所示，可以看出，当工作面回采至测站附近，两帮累积移近量132 mm，顶底板累积移近量171 mm，围岩未出现剧烈变形现象，整体稳定，不影响其正常使用功能。

图5 3209 辅运顺槽矿压监测结果Fig.5 Mine pressure monitoring results of No.3209 auxiliary transport crossheading

5 结 语

王坡煤业3 号煤层回采工作面间区段煤柱为19～20 m，通过对3205 工作面与3207 工作面间区段煤柱松动圈实测，结果表明，回采巷道围岩松动圈发育深度为40～100 cm，围岩判别为II 类较稳定围岩，区段煤柱存在过于保守现象，通过数值模拟研究表明，煤柱宽度8 m 时，在一次采动影响下发生贯通塑性破坏，设计最优区段煤柱宽度为10 m，在3209 工作面进行优化区段煤柱工程应用实践，回采巷道及煤柱稳定性良好，表明将区段煤柱宽度优化为10 m 是可行的，可在王坡煤业3 号煤层后续回采工作面推广使用。