綜放沿空掘巷窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)

段文超，王友壯,胡旭芳,劉 磊

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

綜放沿空掘巷窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)

段文超，王友壯,胡旭芳,劉 磊

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

綜放開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)已成為我國(guó)煤礦高產(chǎn)高效的重要技術(shù)手段和煤礦開(kāi)采的重要發(fā)展方向。對(duì)于綜放沿空掘巷來(lái)說(shuō)，能否采用窄煤柱護(hù)巷，主要在于窄煤柱的尺寸和穩(wěn)定機(jī)理，以及錨桿支護(hù)是否能保證巷道的穩(wěn)定。窄煤柱問(wèn)題是影響綜放沿空巷道穩(wěn)定最重要的因素之一，分析了窄煤柱的變形特點(diǎn)、影響因素及其寬度的設(shè)計(jì)方法，得出在綜放開(kāi)采巷道圍巖為中等穩(wěn)定條件下，窄煤柱合理寬度為2.5～4 m。

綜放開(kāi)采；沿空掘巷；錨桿支護(hù);窄煤柱；變形；合理寬度；設(shè)計(jì)

1 窄煤柱的變形特點(diǎn)

在兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦通過(guò)深孔多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)窄煤柱變形進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)綜放沿空掘巷采用錨桿支護(hù)時(shí)，窄煤柱的變形表現(xiàn)為向巷道內(nèi)和采空區(qū)兩側(cè)顯著位移的特點(diǎn)。

窄位移分布有以下規(guī)律：

1) 垂直位移的變形規(guī)律。煤柱中的垂直位移分布的基本特點(diǎn)：由于窄煤柱上方載荷的作用，煤柱會(huì)出現(xiàn)不同程度的壓縮，但在煤柱的同一高度，靠近上區(qū)段采空區(qū)的垂直位移量明顯要大于巷道一側(cè)，從煤柱的高度方向來(lái)看，靠近頂板處的垂直位移要大于底板處的位移。煤柱較寬時(shí)，在煤柱中部一定范圍內(nèi)，其垂直位移量明顯要小。

2) 水平位移的變形規(guī)律。在數(shù)值計(jì)算條件下，窄煤柱向巷道內(nèi)水平位移的基本特點(diǎn)：一般是窄煤柱中間的水平位移較大，煤柱寬度較小，水平位移的最大值一般更靠近窄煤柱的下部一些；窄煤柱向上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)水平位移的特點(diǎn)：水平位移靠近煤柱上部要大得多，近似表現(xiàn)為向采空區(qū)滑落的特點(diǎn)，煤柱寬度越小，這種特點(diǎn)越明顯，可見(jiàn)，采空區(qū)中靠近窄煤柱幫的矸石充填及支護(hù)狀況對(duì)窄煤柱向采空區(qū)側(cè)變形的程度有較大的影響。

2 窄煤柱變形的影響因素

事實(shí)上，影響窄煤柱的因素很多，包括：巷道的埋藏深度，煤柱的寬度，窄煤柱與其上下交界面的接觸性質(zhì)，煤柱的側(cè)向約束情況以及煤柱的極限強(qiáng)度等。

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)的結(jié)果，對(duì)于綜放沿空掘巷時(shí)的窄煤柱，在特定的窄煤柱尺寸和錨桿支護(hù)條件下，窄煤柱變形主要與以下幾個(gè)因素有關(guān):

1) 巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性的影響。2) 窄煤柱的支護(hù)強(qiáng)度。3) 窄煤柱的破壞強(qiáng)度。4) 煤柱與其上下交界面接觸的情況。

3 窄煤柱寬度的設(shè)計(jì)方法

3.1窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)原則

研究認(rèn)為，綜放沿空掘巷采用錨桿支護(hù)時(shí)，確定合理的窄煤柱寬度應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

1) 錨桿安設(shè)基礎(chǔ)的原則。窄煤柱采用錨桿支護(hù)時(shí)，煤柱寬度至少應(yīng)大于錨桿的長(zhǎng)度，使錨桿能錨固在煤柱中。

2) 相對(duì)有利的應(yīng)力環(huán)境。當(dāng)上區(qū)段工作面回采結(jié)束后，在采空側(cè)煤體中形成一個(gè)垂直應(yīng)力相對(duì)較低的區(qū)域，綜放沿空掘巷位于此區(qū)域時(shí)，對(duì)巷道及其窄煤柱的穩(wěn)定性都極為有利。因此，巷道寬度和窄煤柱寬度之和在條件可能的情況下，應(yīng)布置在垂直應(yīng)力降低區(qū)。

3) 保證錨桿具有良好錨固性能的原則。由于上區(qū)段工作面回采及巷道掘進(jìn)的影響，在窄煤柱中出現(xiàn)塑性變形，甚至出現(xiàn)一定程度的破壞，當(dāng)巷道置于應(yīng)力降低區(qū)時(shí)，窄煤柱的力學(xué)性質(zhì)相對(duì)也就差一些，因此，在考慮合理的窄煤柱寬度時(shí)，應(yīng)保證錨桿安設(shè)基礎(chǔ)的圍巖性質(zhì)較好，以保證錨桿具有較高的錨固力，真正發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。因此，錨桿不能安設(shè)到上區(qū)段開(kāi)采后在窄煤柱中引起破碎的區(qū)域中。

4) 巷道圍巖變形的原則。綜放沿空掘巷合理的窄煤柱寬度不但能保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，而且在現(xiàn)有的支護(hù)條件下，圍巖的變形量應(yīng)能滿足生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)斷面的要求。

5) 煤損小的原則。在該類(lèi)巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)，當(dāng)窄煤柱滿足上述要求時(shí)，窄煤柱的寬度應(yīng)盡可能小一些，這樣有利于提高綜放開(kāi)采中煤炭的采出率。

3.2設(shè)計(jì)方法

合理窄煤柱寬度的確定可以從理論計(jì)算，數(shù)值分析，工程實(shí)踐三方面綜合考慮。

1) 理論計(jì)算法。如果煤柱過(guò)窄，則開(kāi)巷后煤柱易于迅速變形破裂而使錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，錨固力減弱，錨桿的支護(hù)作用降低。合理的最窄煤柱寬度B的計(jì)算如下，其示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 合理煤柱寬度計(jì)算示意圖

計(jì)算公式:

B=x1+x2+x3

式中：

x1—因上區(qū)段工作面開(kāi)采而在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中產(chǎn)生的破碎區(qū)寬度，m，公式：

m—煤層厚度，m；

φ0—煤層界面的內(nèi)摩擦角，(o)；

C0—煤層界面的黏聚力，MPa；

k—應(yīng)力集中系數(shù)，k≈3；

γ—巖層平均容量，km/m3；

H—巷道埋深，m；

Px—對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，若上區(qū)段采空區(qū)側(cè)支護(hù)已拆除，可取Px=0，若上區(qū)段采空區(qū)側(cè)采用錨桿支護(hù)，則取Px=0.1；

x2—巷道窄煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)度,再增加15%的富裕系數(shù)，m；

x3—考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按0.2(X2+X3)計(jì)算。

對(duì)于中等穩(wěn)定圍巖的綜放沿空掘巷，B值一般為4 m左右。

2) 數(shù)據(jù)模擬分析法。數(shù)值模擬法一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)在于能考慮眾多的影響因素，并通過(guò)對(duì)比分析得到一個(gè)較好的結(jié)果。

圖2，圖3分別為綜放沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間和受本工作面采動(dòng)影響時(shí)，窄煤柱寬度不同時(shí)實(shí)體煤幫、窄煤柱幫、頂板下沉及底鼓的變化趨勢(shì)。

圖2 掘進(jìn)時(shí)位移量示意圖

由圖2可見(jiàn)，綜放沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間，當(dāng)窄煤柱的寬度不同時(shí)，巷道的圍巖變形具有以下特點(diǎn)：

a) 窄煤柱寬度不同時(shí)，巷道兩幫的圍巖變形量均大于頂板的相對(duì)移進(jìn)量，說(shuō)明在此期間，巷道的變形以?xún)蓭鸵七M(jìn)為主。

b) 在巷道的兩幫移進(jìn)量中，實(shí)體煤幫的移進(jìn)量和窄煤柱幫的移進(jìn)量雖有變化，但其量值相差很大。實(shí)體煤幫的變化趨勢(shì)是隨著窄煤柱寬度的增加，移進(jìn)量稍有下降，但當(dāng)煤柱寬度大于4.5 m時(shí)，移進(jìn)量又開(kāi)始有一定的回升;窄煤柱幫的變形則隨著煤柱寬度的增加變形量呈上升的趨勢(shì)，但在一定煤柱寬度時(shí)，其變形趨勢(shì)與實(shí)體煤幫逐漸趨于一致。

c) 在窄煤柱范圍內(nèi)，巷道的頂?shù)装逡七M(jìn)量以頂板下沉為主，底鼓相對(duì)要小一些。

圖3 采動(dòng)影響時(shí)位移量示意圖

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)巷道受本工作面回采影響時(shí)，窄煤柱寬度不同時(shí)，巷道圍巖的變形具有以下特點(diǎn)：

a) 巷道在受采動(dòng)影響時(shí)，巷道兩幫的變形量也大于頂?shù)装宓南鄬?duì)移進(jìn)量，說(shuō)明在本工作面回采時(shí)，巷道圍巖的變形與掘進(jìn)期間類(lèi)似，也是以?xún)蓭偷淖冃螢橹鳌?/p>

b) 在窄煤柱條件下，巷道頂?shù)装宓囊七M(jìn)量與煤柱的寬度有較大的關(guān)系，當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，巷道的頂板下沉量要大于底板的鼓起量；隨著煤柱寬度的增加，底板的鼓起量增加，而頂板的下沉量降低，底鼓量大于頂板下沉量；當(dāng)窄煤柱寬度達(dá)到6 m左右時(shí)，兩者的變形量逐漸趨于一致。

c) 在巷道兩幫移進(jìn)量中，實(shí)體煤幫的變形趨勢(shì)與頂板下沉的趨勢(shì)很相似，但其量值要大得多；窄煤柱的變形趨勢(shì)則與底鼓的變形趨勢(shì)一致，但也是在量值上要大一些。同時(shí)，窄煤柱寬度在一定范圍內(nèi)時(shí)，煤柱的變形要比實(shí)體煤幫的變形量大，最終隨著寬度增大，兩幫的移進(jìn)量均有不同程度的上升。

通過(guò)上面的分析可得出結(jié)論：在窄煤柱條件下，綜放沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間，由于圍巖的變形量普遍較小，窄煤柱寬度對(duì)巷道圍巖變形量的影響不是很明顯；但巷道在受本工作面的采動(dòng)影響時(shí)，巷道圍巖的變形量均很大，在此情況下，合理的窄煤柱與巷道的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。窄煤柱寬度在3.5～4 m時(shí)，巷道的變形要大一些，因此，對(duì)錨桿支護(hù)的綜放沿空掘巷來(lái)說(shuō)，從控制圍巖變形量的角度出發(fā)，合理的窄煤柱寬度應(yīng)小于3.5 m，或者大于5 m。在窄煤柱的設(shè)計(jì)中，考慮到綜放開(kāi)采的煤炭采出率問(wèn)題，一般建議應(yīng)選擇較小的煤柱尺寸，不大于3.5 m是較為合理的。

3) 工程實(shí)踐分析法。綜放沿空掘巷的窄煤柱設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的工程特征，故合理的窄煤柱寬度還應(yīng)考慮工程中的一些要求，具體為：

a) 錨桿的安設(shè)基礎(chǔ)。 窄煤柱采用錨桿支護(hù)時(shí)，煤柱的寬度至少應(yīng)大于錨桿的長(zhǎng)度。一般地，現(xiàn)有的條件下，錨桿的長(zhǎng)度多在2 m左右，考慮到保留一定的寬度富裕系數(shù)，故要求窄煤柱的寬度不小于2.5 m。

b) 錨桿安設(shè)的可操作性。 在留設(shè)窄煤柱條件下，錨桿支護(hù)中常會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題，當(dāng)窄煤柱破壞較嚴(yán)重時(shí)，錨桿鉆孔在鑿出后不久會(huì)出現(xiàn)塌空現(xiàn)象，致使錨桿的安設(shè)無(wú)法正常進(jìn)行，故在實(shí)踐中要考慮。

c) 窄煤柱安設(shè)的最終確定。 由以上研究可見(jiàn)，綜放沿空掘巷采用錨桿支護(hù)時(shí)，窄煤柱的確定應(yīng)充分考慮以下3個(gè)問(wèn)題：

(1) 對(duì)沿空掘巷的窄煤柱來(lái)說(shuō)，靠上區(qū)段工作面采空側(cè)煤體中存在一定范圍的破壞區(qū)，當(dāng)在巷道側(cè)窄煤柱中安設(shè)錨桿時(shí)，其寬度最好應(yīng)能使錨桿位于采空側(cè)所形成的破壞區(qū)以外，這樣錨桿作用在較為穩(wěn)定的煤體中，可以保證錨桿可靠的錨桿能量。

(2) 綜放沿空掘巷的窄煤柱尺寸決定了巷道與上區(qū)段工作面回采空間的距離，從而決定了巷道受側(cè)向支撐壓力的影響程度；同時(shí)，窄煤柱的尺寸也將直接關(guān)系到窄煤柱自身的承載能力。

(3) 窄煤柱的寬度應(yīng)能保證錨桿在操作上的可靠性。

4 結(jié) 論

綜上研究后認(rèn)為，在綜放開(kāi)采，巷道圍巖為中等穩(wěn)定的條件下，窄煤柱較為合理的寬度為2.5～4 m。

[1] 李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制原理與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008:17-20.

[2] 錢(qián)鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003:62-63.

[3] 來(lái)存良，席京德.厚煤層高產(chǎn)高效開(kāi)采實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，2001:27-30.

DesignandApplicationonNarrowPillarWidthinGobCaving

DuanWen-chao,WangYou-zhuang,HuXu-fang,LiuLei

Caving mining technology has become an important high yield and efficiency in Chinese coal mines and coal mining technology to the important development direction. The gob caving, the ability to use narrow pillar to protect road, mainly due to the size and narrow coal pillar stability mechanism, and bolting it to ensure the stability of the roadway. Narrow pillar issue is one of the most important factor of the stability of fully mechanized caving roadway of.Analyzes the deformation characteristics of narrow pillar,influencing factors and the design method of width,obtains that under the moderate stability condition of the surrounding rock in fully-mechanized caving roadway,the reasonable width of the narrow pillar is 2.5～4 m.

Fully-mechanized caving mining；Gob-side entry driving；Bolt support;Narrow pillar；Deformation;Reasonable width;Design

段文超 男 1988年出生 2007年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221116

TD263.2

B

1672-0652(2010)07-0022-04

2010-04-27