综采工作面螺旋钻机回收煤柱可行性分析*

袁小浩，李正甲，苏继敏，刘炳权

(北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013)

0 引言

目前，我国在煤炭开采中，多采用壁式体系采煤法[1]。采用壁式体系采煤法开采煤层的过程中出于安全考虑要在矿井中留设保护煤柱，但对于保护煤柱合理留设的宽度设计，主要依靠现场实际经验确定，目前尚无合理、准确的煤柱尺寸的计算方法[2]，保护煤柱有较大的安全富余量，同时，在工作面开采过程中并未对煤柱进行回收，造成了煤炭资源的巨大浪费。已有研究表明，保护煤柱的回收利用能够有效避免煤炭资源的浪费[3]，并给企业带来较大的经济利益。目前，国外对煤柱回收多年的开采实践已取得若干成熟经验，建立了煤柱回收的诸多回采工艺，如劈柱式、开端式、袋翼式、外进式、圣诞树式等[4-5]，国内主要采用充填法处理采空区和空巷后，再对煤柱进行回收[6-8]。

在实际工程中，煤柱回收工作面因为其两侧都已经采空，导致其具有特殊的覆岩破坏特征及矿压显现规律，给煤柱回收带来了一定的难题。同时，煤柱回采过程中往往会遇到其它已有采区的空巷等特殊情况，使得煤柱回收工作面开采面临诸多困难[9-10]。因此研究安全的煤柱回收技术有着重要的实际意义。为此，以纳林庙二号井6-2110综采工作面为工程背景，通过对比分析研究螺旋钻回收煤柱的合理性与可行性，确定合理的开采方案，以提高工作面资源回收率、增加企业经济效益，为面临煤柱回收问题的矿井提供借鉴经验。

1 模拟计算

1.1 工程背景

纳林庙煤矿二号井(简称“纳二矿”)位于内蒙古自治区鄂尔多斯境内，可采煤层主要包括6-2煤、4-1煤、4-2煤。其开采条件好，采用一次采全高综合机械化长壁开采，矿井实际生产能力为500万t/a。目前矿井仅剩余6-2110工作面和6-2116工作面，其中6-2110工作面倾斜长度为248.5 m，走向长度为2 930.02 m。该工作面东邻6-2109采空区，西邻6-2111采空区，南邻煤层井田边界，北邻煤层西翼辅运大巷。110工作面保护煤柱设计宽度为25 m，为了避免资源浪费，回采工作面的同时，在主运顺槽布置自行研发的螺旋钻机，在保护煤柱上钻取直径为0.8 m的钻孔。

1.2 建立模型

FLAC3D数值模拟软件擅长计算岩土体破坏后的大变形和峰后特性等问题，国内学者将FLAC3D引入到采矿工程中，并取得了一系列成果[11-13]。

模型的建立：此次模拟计算共设计2种方案，方案一为在保护煤柱上不钻取钻孔，直接开挖工作面，模拟工作面的正常回采；方案二为在距离综采工作面100 m外的保护煤柱上钻取钻孔，对比观察此时保护煤柱应力以及塑性状态。模型的总长度为160.8 m，宽度为160 m，总高度为41.7 m，模型采用三角形单元，共计2.2×106个单元。模型的前后及左右边界施加水平约束，模型的底部边界固定，模型的顶部边界为自由边界，并且在顶部施加岩层自重，自重载荷为4.724 MPa。模型如图1所示，主运顺槽煤柱钻孔布置如图2所示。

图1 工作面正面

图2 靠近主运顺槽煤柱侧面

模型参数的选取：结合实验室测得的煤体物理参数以及调研得到的岩石力学参数，最终数值模拟采用的参数见表1。

表1 纳二矿岩层物理力学参数表

2 模拟分析

2.1 非采动影响

对煤柱应力的影响：图3为依次钻取采煤钻孔时煤柱应力的分布图。从图中可以看出，在钻取采煤钻孔的垂直方向，形成低压应力区，在钻孔的水平方向，形成高应力区；相邻的钻孔间有明显的相互影响，在2个钻孔之间，形成应力场的叠加，进一步形成较高的应力区。对比煤柱中未钻孔区域，现有采煤钻孔的布置方式使钻孔之间的煤体产生应力集中，而在钻孔上端和下端产生卸压作用。

图3 钻取钻孔后煤柱的应力分布

对煤柱塑性区分布的影响：螺旋钻钻孔布置后，煤柱塑性区的分布情况如图4所示。由图4可知，在钻取钻孔时，钻孔周围发生塑性变形，塑性破坏的区域和煤柱应力图中的高应力区的位置基本一致，钻孔之间塑性区进一步发育和扩展，且塑性破坏区多存在钻孔的两侧，并以剪切破坏为主，在实际工程中应加强施工管理,达到标准化、规范化操作，提高能源回收率。

图4 钻取钻孔后煤柱塑性区变化情况

2.2 采动影响

工作面推进过程中煤柱应力：通过对比方案一、方案二，分析工作面推进过程中煤柱应力的分布规律，图5～7为方案一和方案二实施之后煤柱应力的分布图。通过对比2种方案，发现方案一，煤柱的应力值范围偏大，应力值的级数多；方案二，煤柱上的应力值分布比较均匀，仅在钻取钻孔的位置存在部分的应力集中现象。钻孔的上下两端位置形成低压应力区，应力值为1.5 MPa；在钻孔的左右两侧，由于钻孔之间相互的影响，形成应力场的叠加，从而形成高压应力区，应力值大约为7.8 MPa。随着综采工作面不断往前推进，煤柱的高应力区也随之往前移动。对比2种方案下煤柱的应力分布情况发现，方案一和方案二基本上没有明显的差异。钻孔对于应力分布的影响范围集中在钻孔周围1.5 m的范围内。

图5 回采5.6 m煤柱上应力

图6 回采56 m煤柱上应力

图7 回采151.2 m煤柱上应力

工作面推进过程中塑性区的演化规律：对主运顺槽煤柱里侧塑性区的分布规律进行研究。如图8～13所示。可见，方案二的塑性破坏区较方案一的要多；在距离主运顺槽较远的部分，2种方案下煤柱的塑性破坏区基本一致，钻取的钻孔对于煤柱塑性破坏区分布的影响并不明显。当距离主运顺槽15 m以外的煤柱，2种方案下的塑性破坏分布基本一致，且煤柱没有破坏，仅上覆岩层发生了相应的剪切和拉伸变形，同时，由钻采钻孔引起的煤柱塑性破坏有一定范围，约为5 m。在距主巷5 m以外，煤柱几乎没有发生塑性破坏，这也是方案二中支撑顶板的主要煤柱。再次证明，对于6-2110工作面现有的25 m保护煤柱，有安全富余量。

图8 距离主运顺槽0 m处的煤柱塑性区

图9 距离主运顺槽1 m处的煤柱塑性区

图10 距离主运顺槽5 m处的煤柱塑性区

图11 距离主运顺槽10 m处的煤柱塑性区

图12 距离主运顺槽15 m处的煤柱塑性区

图13 距离主运顺槽20 m处的煤柱塑性区

3 结论

(1)螺旋钻对煤柱应力的影响主要表现在钻孔上端和下端产生卸压作用，而在钻孔之间的区域产生应力集中，同时钻孔周围煤体的塑性破坏主要为剪切破坏。

(2)在煤层开采过程中，煤柱回收钻孔对煤柱造成的卸压作用范围以及塑性区破坏范围在钻孔外段5 m的区域内，对煤柱造成的应力集中范围在5～15 m，且钻孔对剩余5 m未钻孔区域的应力状态基本未产生影响。

(3)模拟结果表明螺旋钻采煤钻孔对煤柱整体的承载能力影响小，且未破坏煤柱的整体性，纳二矿110工作面螺旋钻采煤布置方案安全合理。