特厚煤层综放工作面沿空掘巷小煤柱留设与支护研究

2024-02-27徐春虎唐婷婷

山东煤炭科技 2024年1期

徐春虎唐婷婷

（1.晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西大同 037003；2.晋能控股煤业集团白洞矿，山西大同 037003）

厚煤层开采时，在上工作面采空区边缘留设小煤柱掘进下工作面巷道，将巷道布置在应力降低区，通过合理的支护技术保证巷道围岩在掘巷后和工作面回采阶段围岩可控[1]。小煤柱可以阻隔上工作面采空区的矸石、积水及有害气体窜入到本工作面的回采巷道影响安全回采[2]；同时，留设的小煤柱具有一定的承载能力，改善巷道围岩变形的状况。留设的煤柱宽度需要考虑多因素的影响，选择合理安全可靠的煤柱宽度保证工作面正常推进[3-7]。国内大量学者对小煤柱留设宽度的问题展开了研究，索永录等人[8]通过极限强度模型对极限强度运用莫尔应力圆进行求解，建立煤柱屈服区宽度的模型，并用于工程实践取得很好效果；姜福兴等人[9]研究深井特厚煤层综放面煤柱合理宽度，分析综放面支承压力分布特点，通过理论计算和现场实测相结合，确定煤柱合理宽度；郑西贵等人[10]研究掘采全过程中留设煤柱的应力变化，通过弧形三角块体结构模型分析不同阶段巷道围岩变形的情况，用数值模拟分析窄煤柱和实体帮应力峰值和位置，得到应力峰值与煤柱宽度关系不大；马念杰等人[11]研究深井大采高综放面煤柱宽度，对采空区侧煤柱塑性区进行分析，对巷道侧塑性区取多个断面进行松动圈测试，最后对煤柱宽度进行理论计算。不同巷道煤柱尺寸的留设对综采工作面回采期间巷道的稳定有着极其重要的作用，当留设煤柱尺寸较小时，煤柱所承载的能力较弱，在上覆载荷的作用下，容易发生煤柱失稳破坏，影响工作面正常回采作业；当留设煤柱尺寸较大时，将综采工作面回采巷道布置在应力增高区域，巷道围岩变形严重，对于综采工作面回采期间的巷道支护和维护造成一定困难。基于此，本文对塔山煤矿8117 综放工作面沿空掘巷小煤柱宽度及巷道围岩支护进行研究分析。

1 概况

8117综放工作面所采煤层为太原组3～5层煤层，采煤工艺为走向长壁综采放顶煤，煤层直接顶为砂质泥岩、粉砂岩，直接底为高岭质泥岩、泥岩，煤层厚度为8.07～18.77 m，平均14.3 m，采高3.8 m，平均放煤高度为10.5 m，面长281 m，可采长度为1 064.8 m，煤层倾角平均为2°，工作面回风巷一侧为8112 采空区。8117 工作面平面布置如图1。

图1 8117 综放工作面布置图

2 沿空掘巷煤柱合理宽度分析

综放工作面回采时，当工作面机道煤壁割通支架移架后，放煤工将顶煤放下，通过放顶煤回采工艺，受采动影响，将顶板的原始围岩应力进行重新分布，顶煤回收后采空区上覆关键岩层发生垮落，岩块相互挤压破碎，形成稳定的砌体梁结构，工作面端头形成三角块。随着采空区上覆岩层的逐步稳定，三角块在煤壁内部向采空区一侧缓慢旋转下沉，与煤岩体接触、压实，煤柱所受到的垂直载荷部分转移至采空区，因此采空区侧向支承压力稳定后较稳定前有所降低，煤柱侧受应力重新分布后的高应力影响，塑性区域进一步变大，侧向支承压力影响范围也同步增加。沿工作面方向采空区侧向支承压力分布如图2 所示。

图2 采空区侧向应力分布图

由图2 可知，沿空掘巷的位置，即留设煤柱宽度取决于应力降低区的范围。根据极限平衡理论，近水平煤层采空区侧极限平衡区宽度满足公式（1）：

式中：x1为采空区侧煤柱塑性区宽度；x3为锚杆有效长度，取2.0 m；x2为安全系数，取0.15（x1+x3）；M为煤层回采厚度，14.3 m；λ为侧压系数，0.25；φ0为煤层界面的内摩擦角，25°；k为应力集中系数，2.18；γ为上覆岩层容重，2.7 t /m3；H为煤层平均埋深，400 m；C0为黏聚力，0.9 MPa；Px为煤柱的侧向约束力，取0。

由公式（1）与（2）计算可得x=13.7 m，即采空区所产生的应力降低区的范围为0～13.7 m，综采工作面巷道宽度为5 m，为充分保证相邻工作面回采巷道位于围岩应力降低区域，沿空掘巷宽度应小于8.7 m。

3 沿空掘巷煤柱合理宽度数值模拟

3.1 沿空掘巷模型建立

为进一步确定不同宽度的小煤柱对巷道围岩的影响，以8117 工作面为工程地质背景建立模型进行研究。建立模型：350 m×200 m×80 m，模型总厚度60 m，煤层上方有5 层岩层，累计厚度29.9 m，约束模型的底面和四个侧面，考虑巷道埋深525 m，模型Z=60 面上施加14 MPa 的载荷。根据理论和经验，岩体的破坏主要是在剪应力下屈服或破坏，因此模型采用莫尔-库仑屈服准则。相关8117 综放工作面岩层力学性质参数见表1。

表1 各岩层主要力学参数

3.2 数值模拟及分析

模拟留设不同宽度煤柱下沿空巷道掘进期间煤柱力学特征及位移演化规律，分别探讨当煤柱尺寸为4 m、6 m、8 m 和10 m 时，沿空掘巷后煤柱应力分布情况及塑性区的变化。从不同煤柱方案中，选取煤柱尺寸较小、巷道围岩无应力集中及煤柱两侧围岩变形较小的方案，进而确定巷道合理的煤柱留设宽度。不同宽度煤柱的围岩垂直应力和塑性区分布如图3、图4 所示。

图3 不同宽度煤柱的围岩垂直应力分布图

图4 不同宽度煤柱的塑性区图

1）不同宽度煤柱的巷道围岩应力分布

由图3 可知，当煤柱尺寸小于6 m 时，煤柱受应力集中影响较小，压力小于原岩应力，且支承压力范围较小；当煤柱尺寸增加为8 m 时，应力增高区域明显增大，巷道围岩应力明显增大，但最大应力值仍小于原岩应力；当煤柱尺寸超过8 m 后，巷道留设煤柱中部应力集中显现明显，围岩应力及其范围也逐步增加，已超过煤柱本身原岩应力。

2）不同宽度煤柱的巷道围岩塑性区分布

由图4 可知，当煤柱尺寸为4 m 时，煤柱内部塑性区域所占的比例较大；当煤柱尺寸为6 m 时，煤柱大部分处于塑性破坏状态，但开始出现弹性区；当煤柱尺寸为8 m 和10 m 时，煤柱内部开始出现稳定的弹性区域。因此，可推断得知，当煤柱尺寸小于8 m 时，煤柱承受上覆岩层传递载荷的能力小，便于实现沿空掘巷；当煤柱尺寸大于8 m 时，煤柱承受上覆岩层传递载荷的能力变大，不利于回采期间综采工作面巷道的维护，同时存在煤炭资料浪费的问题。

通过理论计算以及煤柱塑性区和煤柱垂直应力分析，最终确定8117 工作面回风巷小煤柱宽8 m，此时小煤柱以及巷道均位于应力降低区，且具有一定的承载能力，可以较好地维护巷道以及隔绝采空区内的有毒有害气体。

4 现场应用

4.1 支护方案

根据理论分析和数值模拟结果，确定8117 综放工作面回风巷侧留设8 m 宽的区段煤柱，巷道净宽度5000 mm，净高度3500 mm，沿煤层底板掘进。回风巷道（5117 巷）采用锚杆+锚索+钢带+金属网联合支护，每两排顶锚杆之间打一排锚索支护，锚索配套五眼W 钢带和高强度拱形托盘，锚杆排间距900/1800 mm×900 mm（每两排锚杆打一排锚索），锚索排间距2700 mm×900 mm；煤墙侧采用锚杆支护并搭配高强度拱形托盘，排间距900 mm×900 mm。顶板采用网眼50 mm×50 mm 的菱形金属网，两帮采用网眼70 mm×70 mm 的菱形金属网，每隔100 m 用柔性高强度塑料网断网一次。

考虑到单体柱的支护强度较低，顶板下沉破坏，支护过程存在不安全因素，且劳动强度大等问题，为了加大顶板支护面积，提高安全系数和劳动效率，回风巷超前段支护改用门式支架。超前段使用的单跨门式支架型号为MZJ2X1100/24.5/41.5 两柱支撑式支架，单套支撑装置由一根横梁、两根立柱及链条等组成。门式支架工作阻力为1100 kN，间距1.5 m，超前段使用30 个门式支架进行支护。超前段巷道支护形式如图5 所示。

图5 超前巷道段支护图（mm）

4.2 沿空巷道表面位移观测分析

根据矿压观测、顶板离层监测资料统计，掘巷阶段和回采阶段巷道围岩变形量如图6 所示。

图6 不同阶段巷道围岩变形量

由图6 可知：巷道掘进之后，前20 d 围岩变形强烈，随着应力转移，巷道围岩趋于稳定；30 d 之后，巷道围岩变形变缓，巷道两帮变形量小于180 mm，巷道顶底板变形量为50 mm。工作面回采阶段，工作面超前段50 m 范围内受采动影响，50 m范围之后基本不受影响。在工作面前方5 m 处巷道两帮累计变形量为164 mm，顶底板累计变形量为90 mm。矿压监测结果表明，留设8 m 煤柱能够满足正常安全生产要求。