特厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

汪占領(lǐng) 孟憲志

(1. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

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★ 煤炭科技·開拓與開采 ★

特厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

汪占領(lǐng)1,2孟憲志1,2

(1. 天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013；2. 煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

為確定柳巷煤礦綜采工作面的合理煤柱尺寸，采用數(shù)值模擬的方法，研究工作面回采過程中超前支承壓力的分布規(guī)律和影響范圍，并結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，從而確定合理的煤柱尺寸為10 m。通過采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，改善了錨桿的主動(dòng)支護(hù)能力，有效保證了煤柱穩(wěn)定和巷道安全，提高了煤炭資源回收率。

煤柱寬度 沿空掘巷 特厚煤層 極限平衡理論 預(yù)應(yīng)力 錨桿支護(hù)

合理的區(qū)段煤柱不僅可以大大提高煤炭資源的回收率，也能保證回采巷道圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于雙巷同時(shí)掘進(jìn)的運(yùn)輸巷和軌道巷之間一般留設(shè)20～40 m的煤柱，回采工作面掘進(jìn)的巷道與回采工作面之間的煤柱一般為10～20 m，沿空掘巷情況下煤柱一般為3～10 m。

柳巷煤礦是榆林地區(qū)新建的大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.20 Mt/a，所采的三號(hào)煤層平均厚度11.05 m。兩工作面間兩巷道中心間距先期設(shè)計(jì)為25 m，煤炭資源回采率大大降低。本文針對(duì)柳巷煤礦特厚煤層工作面開采條件和開采順序，對(duì)煤柱受力狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而找到科學(xué)合理的煤柱尺寸。

1 礦井地質(zhì)條件

柳巷煤礦主采3號(hào)煤層，煤層厚度為10.20～11.65 m，平均厚度為11.05 m，單軸抗壓強(qiáng)度為27.7 MPa。煤層埋深209～321 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，個(gè)別含1層夾矸。夾矸厚0.05～0.08 m，巖性為泥巖。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖；底板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，泥質(zhì)粉砂巖為次，個(gè)別細(xì)粒砂巖。采用綜采放頂煤開采，工作面采高3.8 m，工作面寬度155 m，工作面長度1600 m，原巖應(yīng)力約為6.0 MPa。工作面巷道沿煤層底板布置，矩形斷面，尺寸為4.2 m×3.5 m，掘進(jìn)斷面面積為14.7 m2。30103工作面回風(fēng)巷沿30101回采工作面掘進(jìn)，區(qū)段煤柱寬度為20 m，工作面平面位置關(guān)系如圖1所示。30103工作面?zhèn)葞蜎]有支護(hù)，加上受30101工作面的采動(dòng)影響，巷道片幫嚴(yán)重，片幫情況如圖2所示。為了保證巷道穩(wěn)定，并提高煤炭資源回收率，決定采用雙翼開采，在30105工作面采用沿空掘巷技術(shù)。

圖1 柳巷煤礦30103工作面平面布置圖

圖2 30103工作面回風(fēng)巷破壞情況

2 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬，建模過程中嚴(yán)格按照柳巷煤礦現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)狀況，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正。取30103工作面回風(fēng)巷底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸正方向，X方向長度為170 m，工作面一側(cè)取70 m長；沿巷道方向垂直向內(nèi)為Y軸正方向，Y方向長度為20 m；垂直向上為Z軸正方向，重力方向沿Z軸負(fù)方向，Z方向高度為59 m。三維模型的邊界條件為：四周采用鉸接支護(hù)，底部采用固定支護(hù)，上部為自由邊界。模型共劃分172250個(gè)單元，183924個(gè)節(jié)點(diǎn)，各巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示，模型如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場巷道的變形情況和監(jiān)測的數(shù)據(jù)，分別模擬煤柱寬度為8 m、10 m、12 m和15 m情況下，工作面回采階段巷道圍巖及煤柱內(nèi)部應(yīng)力和塑性破壞區(qū)分布情況。

圖3 數(shù)值模擬模型況

巖性密度/kg·m-3體積模量/GPa剪切模量/GPa內(nèi)聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)泥巖24202.51.701.20.7641砂質(zhì)泥巖24802.912.721.351.0640碳質(zhì)泥巖24502.72.001.299.6041煤14303.731.250.4039.7中粒砂巖25804.153.392.61.4043粉砂巖265075.3333.241

2.1 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)

當(dāng)工作面回采后，煤柱內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，不同煤柱寬度的應(yīng)力集中程度差異很大。煤柱寬度為8 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為26.0 MPa；煤柱寬度為10 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為25.5 MPa；煤柱寬度為12 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為25.3 MPa；煤柱寬度為15 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為25.2 MPa。

由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)煤柱寬度由8 m增加到10 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中有明顯的減少；煤柱寬度由10 m增加到15 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中減少幅度較小。不同煤柱條件下，反映出煤柱應(yīng)力的集中程度不同，煤柱在10 m以下時(shí)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力比較高，煤柱受到垂直應(yīng)力的作用比較大；當(dāng)煤柱在10 m以上時(shí)，煤柱受到垂直應(yīng)力的作用雖有小幅增加，但增加的幅度很小，表明10 m以上煤柱受到垂直應(yīng)力作用基本趨于一致，再增加煤柱尺寸對(duì)維護(hù)煤柱的穩(wěn)定效果不再明顯。

2.2 煤柱的破壞特征

不同煤柱塑性破壞區(qū)分布如圖2所示。由圖2可知，隨著工作面回采，煤柱和巷道圍巖的塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，兩個(gè)工作面底板內(nèi)的塑性區(qū)連成一體，且不同煤柱寬度在對(duì)巷道圍巖破壞范圍有一定影響?？傮w來看，煤柱寬度越小，巷道周圍和煤柱底板巖層的塑性區(qū)范圍越大；當(dāng)煤柱寬度為8 m時(shí)，煤柱內(nèi)的塑性區(qū)連接在一起，即煤柱裂隙貫通，不利于煤柱的穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度大于10 m到15 m時(shí)，煤柱內(nèi)部存在非塑性區(qū)范圍，有利于煤柱的穩(wěn)定和采空區(qū)的防漏風(fēng)。根據(jù)模擬工作面回采過程中煤柱內(nèi)應(yīng)力分布和煤柱破壞情況，當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí)，煤柱可以滿足礦井生產(chǎn)需要。

圖4 不同寬度煤柱塑性破壞區(qū)分布

3 理論分析

3.1 煤柱極限強(qiáng)度

煤柱極限強(qiáng)度本質(zhì)上是指煤柱長期受垂直載荷作用下峰值應(yīng)力點(diǎn)所能達(dá)到的極限應(yīng)力，它不僅與實(shí)驗(yàn)室煤巖試樣的單軸抗壓強(qiáng)度有關(guān)，而且與煤壁所獲得的沿水平方向的約束力有關(guān)。本文采用下式來計(jì)算煤柱的極限強(qiáng)度σymax:

σymax=KγH=2.729(ησc)0.729

(1)

式中：K——應(yīng)力集中系數(shù)；

γ——覆巖平均容重，MN/m3；

H——平均開采深度，m；

η——煤柱流變系數(shù)；

σc——煤巖試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)柳巷煤礦煤層賦存特點(diǎn)，煤柱流變系數(shù)η取0.4，根據(jù)柳巷煤礦井筒檢查孔報(bào)告可得3號(hào)煤層單軸抗壓強(qiáng)度(飽水)為19.2 MPa。由此可知，柳巷煤礦煤柱的極限強(qiáng)度為12.06 MPa。

柳巷煤礦巷道埋深240 m左右，原巖應(yīng)力大約6.0 MPa。

3.2 煤柱寬度計(jì)算

按照煤巷兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡理論，合理煤柱寬度計(jì)算示意圖如圖3所示。最小護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算公式為：

B=x1+x2+x3

(2)

式中：B——區(qū)段煤柱寬度，m；

x1——煤柱在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m；

x2——核區(qū)寬度，m；

x3——煤柱在巷道一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m。

圖5 合理煤柱寬度計(jì)算示意圖

其中，x1參考綜采工作面在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度計(jì)算公式計(jì)算：

(3)

式中：m——煤層厚度，m；

d——開采擾動(dòng)因子，取1.5～3.0；

C——粘聚力，MPa；

σx——煤壁的側(cè)向約束應(yīng)力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角，(°)；

σ1——煤柱極限強(qiáng)度，MPa；

β——塑性區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)。

根據(jù)柳巷煤礦3號(hào)煤層的賦存特點(diǎn)及井筒檢查孔報(bào)告中煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度指標(biāo)測試結(jié)果，區(qū)段煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算所需各參數(shù)的選取見表2，考慮到煤柱受兩次采動(dòng)影響，現(xiàn)取x3=x1，核區(qū)寬度x2取煤柱高度m，將表中各參數(shù)值代入式(3)，計(jì)算得區(qū)段煤柱寬度B=12.34 m。

表2 計(jì)算參數(shù)選取表

考慮到采空區(qū)積水較多，按《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》中建議的留設(shè)隔離煤柱寬度的計(jì)算方法從防水煤柱的角度進(jìn)行分析計(jì)算：

(4)

其中:L——煤柱寬度，m；

k——安全系數(shù)，一般取2～5；

M——巷道高度，m；

p——水頭壓力，MPa；

KP——煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

目前國內(nèi)各礦采用的煤的抗拉強(qiáng)度大多在0.2～1.4MPa之間。

采空區(qū)水壓為:

p1=γ1H1

(5)

式中：p1——采空區(qū)水區(qū)，kPa；

γ1——水的容重，kN/m3；

H1——水頭高度，m。

水頭高度根據(jù)下式計(jì)算：

(6)

式中：m——累計(jì)采厚，m；

n——煤層分層厚度，m；

Hf——裂隙帶高度，m。

將m=11.05 m，n=3.8 m代入式(6)，計(jì)算得導(dǎo)水裂隙帶高度為110 m。重力加速度g取10 m/s2，得到采空區(qū)水壓為1.1 MPa。安全系數(shù)k取2.5，巷道高度M為3.5 m，煤的抗拉強(qiáng)度取0.44 MPa，代入式(4)計(jì)算得，所需煤柱寬度L為11.98 m。

考慮到采空區(qū)積水要及時(shí)抽排，并且要加強(qiáng)煤柱兩側(cè)巷幫支護(hù)，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，合理煤柱尺寸為10 m。

4 巷道支護(hù)方案及效果

4.1 支護(hù)方案

優(yōu)化后的寬為10 m的煤柱掘進(jìn)30105工作面回風(fēng)巷支護(hù)方案為：錨桿采用?20-M22-2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配合10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)和450 mm×280 mm×4 mm的W型鋼護(hù)板，錨固長度1.3 m。錨桿排距1 m，頂板每排4根，間距1.2 m，幫錨桿每排每幫4根，間距1 m。錨桿預(yù)緊扭矩不低于400 N·m。錨桿支護(hù)布置方案如圖4所示。

錨索采用直徑為17.8 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為5.3 m，錨固長度為1750 mm。每排布置一根錨索，排距2 m。配合300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)錨索托板，錨索預(yù)緊力達(dá)到150 kN。

圖6 錨桿支護(hù)布置圖

4.2 支護(hù)效果

巷道表面位移監(jiān)測曲線如圖5所示。由圖5可知，掘進(jìn)3～5 d后巷道變形趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)期間頂?shù)装遄畲笠平繛?5 mm，兩幫最大移近量為71 mm，其中煤柱側(cè)幫移近量為52 mm。從總體支護(hù)效果看，巷道支護(hù)狀況良好，圍巖變形得到有效的控制，煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 巷道表面位移監(jiān)測曲線圖

5 結(jié)論

(1)綜合考慮柳巷煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值模擬和理論計(jì)算結(jié)果，柳巷煤礦合理煤柱尺寸確定為10 m，既能保證煤礦的安全生產(chǎn)，又能提高煤炭資源的回收率。

(2)煤柱的穩(wěn)定不僅與煤柱尺寸相關(guān)，而且與巷道支護(hù)形式有很大關(guān)系，為了保證煤柱穩(wěn)定，巷道支護(hù)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，提高主動(dòng)支護(hù)能力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果。

(3)從應(yīng)用效果來看，巷道變形很小，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明優(yōu)化后的煤柱尺寸是合理的。

(4)通過優(yōu)化煤柱尺寸，減少了10 m煤柱的煤炭損失，提高了煤炭回收率，可為礦方創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 國家煤炭工業(yè)局. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程 [M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 2000

[2] 武炳瑞 . 厚煤層條件下合理寬度煤柱留設(shè)研究 [J] . 中國煤炭，2013(6)

[3] 姜耀東, 劉文崗,趙毅鑫等. 開灤礦區(qū)深部開采中巷道圍巖穩(wěn)定性研究 [J] . 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(6)

[4] 徐永圻. 采礦學(xué) [ M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[5] 謝廣祥,楊科,常聚才.綜放回采巷道圍巖力學(xué)特征實(shí)測研究 [J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(1)

[6] 王繼林，陳芳，屠洪盛 . 五陽煤礦孤島綜放工作面合理護(hù)巷煤柱寬度研究 [J]. 中國煤炭，2012(1)

(責(zé)任編輯 陶 賽)

Study on reasonable coal pillar size of roadway driven along gob of work face at extra-thick coal seam

Wang Zhanling1,2, Meng Xianzhi1,2

(1. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Coal Mining Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to determine reasonable coal pillar size of fully mechanized work face of Liuhang Mine, numerical simulation method was conducted to study the distribution laws and influencing scope of advanced abutment pressure in mining process, combined with theoretical calculation results, so as to determine the reasonable coal pillar size was about 10 m. Using high prestress anchor bolt support technology to improve the capacity of active support of bolts, effectively ensure coal pillar stability and roadway safety, and increase the recovery rate of coal resources.

coal pillar width, driving along gob, extra-thick coal seam, limit equilibrium theory, prestress, bolt support

國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAK04B06)，天地科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-07)

汪占領(lǐng)，孟憲志 . 特厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究 [J] . 中國煤炭，2017,43(4)：58-61，83. Wang Zhanling，Meng Xianzhi . Study on reasonable coal pillar size of roadway driven along gob of work face at extra-thick coal seam [J] . China Coal，2017,43(4)：58-61，83.

TD353

A

汪占領(lǐng)(1977-)，男，河北蠡縣人，副研究員，主要從事巷道支護(hù)研究與技術(shù)開發(fā)工作。