綜放沿空掘巷小煤柱尺寸對圍巖作用的研究

馬 鵬，李冬輝

(1.淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 安徽 淮北 235000；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 技師學(xué)院， 山西 大同 037003)

留小煤柱沿空掘巷中，小煤柱起到主要的支撐作用，并且可以防止漏風(fēng)以及有毒有害氣體等[1]. 小煤柱的寬度影響基本頂主要是通過對直接頂?shù)闹伍g接地對基本頂起作用，煤柱寬度不同其支撐力有所差異，小煤柱太窄起不到有效支撐作用，煤柱較寬會造成資源浪費(fèi)，小煤柱并不是越寬越好[2-3]. 本文結(jié)合渦北煤礦8201外機(jī)巷，分析不同寬度的小煤柱對綜放沿空掘進(jìn)巷道的影響規(guī)律，以確定合理的小煤柱尺寸滿足生產(chǎn)需要，同時降低資源浪費(fèi)。

1 采場基本頂側(cè)向破斷關(guān)鍵塊分析

基本頂沿垂直于工作面方向的破斷方式即為基本頂?shù)膫?cè)向破斷，基本頂側(cè)向破斷位置的不同會帶來不同的巷道圍巖應(yīng)力分布，從而起到不同的影響作用[4]. 基本頂側(cè)向斷裂位置的確定關(guān)鍵是弧形三角塊交接結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊的受力問題以及其運(yùn)動狀態(tài)，根據(jù)基本頂初次破斷的“O-X”形斷裂形式以及隨工作面不斷推進(jìn)后的半個“O-X”形斷裂，形成弧三角板的交接結(jié)構(gòu)，見圖1.

圖1 留小煤柱沿空掘巷覆巖大結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，基本頂側(cè)向破斷位置的確定與關(guān)鍵塊體B的性質(zhì)、受力及其狀態(tài)密切相關(guān)。開采深度、開采高度、留設(shè)小煤柱的寬度等都會對關(guān)鍵塊體B的斷裂位置和情況產(chǎn)生影響。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)渦北煤礦的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(表1)，采用UDEC軟件建立模型，見圖2. 模型的尺寸長200 m×寬100 m，該模型是采用二維平面應(yīng)變模型，同時巖體符合Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系，模型上加載約為6 MPa的垂直應(yīng)力。

表1 模型各巖層主要力學(xué)參數(shù)表

圖2 沿空掘巷基本頂側(cè)向破斷的數(shù)值模型圖

2.2 小煤柱寬度對基本頂破斷及圍巖控制的影響

模擬小煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時，采場基本頂側(cè)向破斷位置。此時的開采高度設(shè)定為7 m，基本頂厚度是8 m，煤層開采深度為500 m，留小煤柱沿空掘巷巷道尺寸5 000 mm×3 000 mm.

基本頂側(cè)向破斷位置隨留設(shè)小煤柱寬度變化的模擬圖見圖3. 由于圖形較小，斷裂位置不明顯，為了更直觀地看到基本頂?shù)臄嗔盐恢?，在模擬圖形上用圓圈標(biāo)出。由圖3可知，采場基本頂側(cè)向破斷的位置隨著小煤柱寬度的增加而逐漸遠(yuǎn)離煤體向采空區(qū)趨近。為了能夠更加清楚地了解基本頂側(cè)向破斷位置隨開采深度變化的規(guī)律，給出其影響變化曲線圖，見圖4.

圖3 基本頂側(cè)向破斷位置隨小煤柱寬度的變化圖

圖4 基本頂側(cè)向破斷位置隨小煤柱寬度變化曲線圖

由圖4可知，斷裂裂隙距離巷道左側(cè)距離分別為12 m、13 m、14 m、17 m、17.5 m、23 m. 從整體數(shù)據(jù)變化上可知，基本頂側(cè)向破斷位置距離巷道左側(cè)的距離是隨著小煤柱寬度的增加逐漸遠(yuǎn)離的，但采場基本頂側(cè)向破斷位置是向采空區(qū)處趨近的，同時留設(shè)小煤柱的寬度影響基本頂側(cè)向破斷位置的變化大小是隨著寬度增加而逐漸增大。

巷道變形量隨小煤柱變化曲線見圖5. 由圖5可知，當(dāng)小煤柱從3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m變化時，巷道圍巖變形量分別為720 mm、265 mm、485 mm、153 mm、100 mm、61 mm. 當(dāng)煤柱寬度為3 m時，小煤柱扭曲變形較為嚴(yán)重，煤體強(qiáng)度很難支撐頂板壓力；當(dāng)小煤柱寬度為4 m時巷道變形量最??；當(dāng)小煤柱寬度為5 m時，變形量也較大，但是煤體的整體性較為完整依然可以有效支撐巷道頂板壓力；小煤柱寬度越大巷道變形量越小。巷道變形的整體趨勢隨小煤柱寬度的增大而變小，同時變化幅度逐漸減小。但煤柱寬度增大會導(dǎo)致回收率降低，煤柱尺寸在4～5 m為宜。

圖5 巷道變形量隨小煤柱寬度變化的曲線圖

3 工程實(shí)例

3.1 地質(zhì)狀況

渦北煤礦8201外機(jī)巷綜放沿空掘進(jìn)巷道標(biāo)高為-430～-450 m，設(shè)計走向長度550 m，煤層平均傾角21°，81煤平均厚4.37 m，82煤平均厚2.98 m，81煤與82煤之間夾矸為灰～深灰色泥巖，平均1.2 m厚，煤體硬度系數(shù)f約為0.17，為極松軟煤層。

3.2 小煤柱寬度的選取

8201外工作面巷道掘進(jìn)跟82煤底板施工。采用36 U型棚+錨索梁，巷道幫部采取兩道鎖腿梁間隔交錯布置。同時，在小煤柱沿空側(cè)采用注漿加固。

從上述數(shù)值模擬來看小煤柱寬度4 m時效果最好，該礦從2007年投產(chǎn)以來所有沿空掘進(jìn)小煤柱的尺寸大小不一，最大8 m，最小3 m. 同時，根據(jù)各工作面回采經(jīng)驗(yàn)可知，由于工作面傾角較大，工作面刮板輸送機(jī)容易上竄下滑影響出煤效果，為了滿足生產(chǎn)需要，巷道需要二次刷擴(kuò)(增寬)，留設(shè)的小煤柱將會被破壞，被刷擴(kuò)減小的寬度為700～1 000 mm. 若選取寬度為4 m的小煤柱，小煤柱的寬度將會減少到3.3 m以下，此時巷道變形量將會增加，小煤柱起不到有效支撐，巷道壓力顯現(xiàn)明顯。小煤柱寬度為5 m時，被二次刷擴(kuò)后依然有4 m以上，不影響支撐效果，同時也在一定程度上提高了資源回采率。綜合考慮，后期渦北煤礦沿空掘巷小煤柱寬度選取5 m為最佳。

3.3 巷道圍巖管控效果

8201外機(jī)巷從巷道施工到8210外工作面回采結(jié)束期間，機(jī)巷下幫刷幫量最大1.3 m，巷道變形量最大830 mm，巷道設(shè)計尺寸寬4 800 mm×高3 400 mm，巷道變形量在可控范圍內(nèi)。小煤柱的尺寸選取5 m不僅滿足生產(chǎn)需要，同時避免資源浪費(fèi)并且在回采期間刷幫1.3 m后依然能夠起到支護(hù)封堵的作用。

4 結(jié) 語

沿空掘巷小煤柱尺寸的選擇不僅要考慮掘進(jìn)期間巷道支護(hù)問題，同時也要兼顧工作面回采過程中出現(xiàn)的問題。為滿足生產(chǎn)需要，根據(jù)數(shù)值模擬和工程實(shí)例可知，渦北煤礦沿空掘進(jìn)小煤柱的尺寸選擇5 m為最優(yōu)，不僅有效支撐頂板，同時減少資源丟失。