沿空掘巷小煤柱合理留設(shè)研究

胡光偉

（中煤一建公司山不拉煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯010499）

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沿空掘巷小煤柱合理留設(shè)研究

胡光偉

（中煤一建公司山不拉煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯010499）

山不拉煤礦3202工作面材料巷采用沿空掘進方式，為得到最優(yōu)小煤柱尺寸，采用理論計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，綜合分析確定小煤柱最優(yōu)合理尺寸為5m。工業(yè)性試驗及現(xiàn)場礦壓觀測表明，小煤柱留設(shè)5m寬度滿足需求，保證了巷道安全掘進和回采的同時最大限度提高煤炭資源的采出率。此次研究實踐成果為山不拉煤礦綜放沿空掘巷小煤柱尺寸的合理留設(shè)提供了依據(jù)，并為類似條件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的留設(shè)寬度提供了借鑒。

沿空掘巷；小煤柱；理論計算；數(shù)值模擬

近年來，隨著礦井產(chǎn)量和開采強度的加大，對煤炭采出率和回采巷道的支護要求也越來越高，傳統(tǒng)的留設(shè)較寬區(qū)段煤柱護巷的方式已不能滿足生產(chǎn)需求，沿空掘巷留設(shè)小煤柱護巷，有提高煤炭資源的采出率和巷道易維護的優(yōu)點，此項技術(shù)近年在我國各大礦區(qū)逐漸推廣應(yīng)用，取得良好效果［1］。沿空掘巷小煤柱尺寸的留設(shè)是沿空掘巷圍巖控制的關(guān)鍵，若留設(shè)尺寸過大，煤柱及巷道將長期處于側(cè)向支承壓力升高區(qū)，不利于煤柱及巷道的穩(wěn)定；若留設(shè)尺寸過小則煤柱煤體破碎，不能有效地密閉采空區(qū)。因此，小煤柱的留設(shè)應(yīng)遵循以下原則:巷道位于應(yīng)力降低區(qū)；有利于巷道的穩(wěn)定；有利于錨桿支護；在滿足以上原則的條件下盡量減少煤柱寬度［2］。

針對山不拉煤礦接續(xù)工作面情況，采用模擬計算與理論計算相結(jié)合的方法，研究確定沿空掘巷留設(shè)小煤柱尺寸。

1　工程背景

山不拉煤礦3202綜采工作面位于井田西北部，工作面大部位于2-2煤房采區(qū)下部。工作面標(biāo)高-329.1～-380.8m。南為3203采空區(qū)，北至3-2煤回收面，東與井筒保護煤柱相鄰。所采煤層為3號煤，煤質(zhì)較硬，f=2～3，內(nèi)生裂隙發(fā)育，階梯狀斷口。煤層厚度最大1.80m，最小1.65m，平均1.70m。煤層傾角1～3°，煤層直接頂為15m砂質(zhì)泥巖，基本頂為24m細砂巖，直接底為24m砂質(zhì)泥巖。中部含煤段地質(zhì)柱狀圖如圖1所示，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1，工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤。

圖1　地質(zhì)柱狀

表1　巖層物理力學(xué)參數(shù)

2　煤柱寬度理論計算

通過公式對小煤柱寬度進行理論計算，以初步確定小煤柱最小寬度值。采用極限平衡理論公式計算，合理煤柱的最小寬度為［3］:

式中，B為合理的煤柱最小寬度，m；b1為上區(qū)段工作面開采影響下，沿空掘巷小煤柱中破碎區(qū)寬度，根據(jù)現(xiàn)場實測情況，取2.2m；b2為巷道小煤柱幫錨桿有效長度，根據(jù)實際錨桿和藥卷使用情況，取1.2 m；b3為考慮煤層厚度而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，b3=0.2（b1+b2）；m為上下區(qū)段平巷高度，m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/（1-μ）；μ為泊松比，μ=0.33；φ0為煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；C0為煤體的黏聚力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，k=3.0；γ為巖層平均容重，kN/m3；H為巷道埋藏深度，m；PX為對煤幫的支護阻力，kN。

通過理論計算得到小煤柱寬度，可以用于檢驗校核其他分析計算結(jié)果?？紤]到3202工作面材料道實際地質(zhì)條件，通過式（1）計算，得知合理小煤柱最小寬度理論值B為4.7m。

3　數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對煤柱寬度合理留設(shè)進行數(shù)值計算，根據(jù)實際條件設(shè)定數(shù)值模型的邊界條件為:模型側(cè)面限制其水平位移，底部固定，模型上表面設(shè)定為應(yīng)力邊界，施加的荷載為10.0MPa，模擬上覆巖體的自重應(yīng)力；水平方向的側(cè)壓系數(shù)為1.2，荷載大小為12.0MPa，模型設(shè)定為Mohr-Coulomb模型［4-5］。

數(shù)值模擬主要研究在不同寬度情況下，煤柱內(nèi)的豎向應(yīng)力場和水平位移場的分布情況。煤柱的寬度分別取3m，4m，5m，6m，8m，10m。

3.1垂直應(yīng)力分布

不同煤柱寬度條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力場分布情況見圖2。

圖2　小煤柱圍巖垂直應(yīng)力場

取煤柱中間位置的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場分布情況。從結(jié)果中可以看出，豎向應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，煤柱在4～6m寬度范圍內(nèi)的豎向應(yīng)力值最小。大于6m以后應(yīng)力值隨煤柱寬度的增加急劇增加，這是因為大于6m以后煤柱處于側(cè)向支承應(yīng)力集中區(qū)的原因。

3.2水平位移數(shù)值模擬結(jié)果

不同煤柱寬度條件下巷道圍巖水平位移場分布情況見圖3。

同分析垂直應(yīng)力場分布情況一樣，仍取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)水平位移場分布特征，由模擬結(jié)果可以看出:煤柱寬度從3m到10m的變化過程中，水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，當(dāng)小煤柱寬度為3m時，煤柱中部位移急劇變化，沒有零位移區(qū)域，煤柱穩(wěn)定性極差；當(dāng)小煤柱寬度為4～6m時，煤柱中部位移比較穩(wěn)定，有一定的零位移區(qū)域；當(dāng)煤柱大于8m后，雖然中部穩(wěn)定部分較大，但圍巖向巷道內(nèi)的位移量大于4～6m煤柱時的位移量。

圖3　小煤柱圍巖水平位移場

3.3模擬結(jié)果分析

由上述垂直應(yīng)力場和水平位移場的分布情況，可以看出煤柱寬度在4～6m范圍內(nèi)時，煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力和水平位移均較小，煤柱整體穩(wěn)定性較好，而且煤柱中發(fā)生塑性破壞的區(qū)域也較小，這樣既有利于煤柱本身的穩(wěn)定性，又有利于巷道圍巖的錨桿索支護。所以綜合考慮安全和經(jīng)濟兩方面因素，煤柱寬度取5m為宜。

4　礦壓觀測分析

為驗證3202工作面材料巷5m煤柱的合理性，在煤巷中設(shè)立礦壓觀測站，監(jiān)測巷道斷面變形和錨桿受力情況，從工作面回采開始觀測，直至工作面推進距測站10m位置停止觀測，結(jié)果見圖4。

圖4　礦壓觀測結(jié)果

隨著工作面回采不斷推進，距離測站約50m超前支撐壓力開始顯現(xiàn)，巷道逐漸產(chǎn)生較大變形，兩幫變形表現(xiàn)尤為明顯，兩幫變形又以煤柱側(cè)內(nèi)移變形突出，兩幫最大移進量1260mm，說明兩幫變形主要來自煤柱一側(cè)的變形。隨巷道圍巖變形應(yīng)力調(diào)整，錨桿受力增大，頂板錨桿受力比兩幫大，受超前壓力影響，錨桿受力上升顯著，頂錨桿測力計讀數(shù)最大達14MPa；兩幫錨桿測力計讀數(shù)相對穩(wěn)定說明對應(yīng)錨桿受力上升較小甚至出現(xiàn)回落，反映出兩幫錨桿支護部分失效。從整個礦壓監(jiān)測結(jié)果來看，3202工作面材料巷采用5m煤柱巷道斷面變形及錨桿受力均符合預(yù)期，未出現(xiàn)異常失穩(wěn)破壞情況，即在當(dāng)前支護條件下采用5m煤柱寬度能夠滿足巷道安全生產(chǎn)的要求。

5　結(jié) 論

（1）根據(jù)山不拉礦3202工作面開采條件和圍巖物理力學(xué)參數(shù)，理論計算確定小煤柱寬度為4.7m。

（2）數(shù)值計算分析了不同煤柱寬度情況下巷道圍巖的垂直應(yīng)力和水平位移情況，確定煤柱寬度4～6m最優(yōu)，結(jié)合理論計算結(jié)果綜合確定煤柱寬度為5m。

（3）根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)性實踐及礦壓觀測結(jié)果，確定3202材料巷沿空掘巷留設(shè)5m煤柱能夠滿足巷道安全生產(chǎn)的要求。

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［責(zé)任編輯：李 青］

Small Coal Pillar Layout of Gob-side Entry Driving

TD822.3

B

1006-6225（2016）04-0078-03

2015-12-28

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.020

胡光偉（1978-），男，江蘇銅山人，高級工程師，中煤第一建設(shè)有限公司山不拉煤礦總工程師。

［引用格式］胡光偉.沿空掘巷小煤柱合理留設(shè)研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：78-80，64.