胡光偉

（中煤一建公司山不拉煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯010499）

?

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(jìn)方式，為得到最優(yōu)小煤柱尺寸，采用理論計(jì)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(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)表明，小煤柱留設(shè)5m寬度滿足需求，保證了巷道安全掘進(jìn)和回采的同時(shí)最大限度提高煤炭資源的采出率。此次研究實(shí)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(jì)算；數(shù)值模擬

近年來(lái)，隨著礦井產(chǎn)量和開(kāi)采強(qiáng)度的加大，對(duì)煤炭采出率和回采巷道的支護(hù)要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的留設(shè)較寬區(qū)段煤柱護(hù)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(hù)巷，有提高煤炭資源的采出率和巷道易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，此項(xiàng)技術(shù)近年在我國(guó)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(guò)大，煤柱及巷道將長(zhǎng)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(guò)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(hù)；在滿足以上原則的條件下盡量減少煤柱寬度［2］。

針對(duì)山不拉煤礦接續(xù)工作面情況，采用模擬計(jì)算與理論計(jì)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(hù)煤柱相鄰。所采煤層為3號(hào)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(xì)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(jiàn)表1，工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)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(jì)算

通過(guò)公式對(duì)小煤柱寬度進(jìn)行理論計(jì)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(jì)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(kāi)采影響下，沿空掘巷小煤柱中破碎區(qū)寬度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，取2.2m；b2為巷道小煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)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(duì)煤幫的支護(hù)阻力，kN。

通過(guò)理論計(jì)算得到小煤柱寬度，可以用于檢驗(yàn)校核其他分析計(jì)算結(jié)果。考慮到3202工作面材料道實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)式（1）計(jì)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(duì)煤柱寬度合理留設(shè)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)實(shí)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(chǎng)和水平位移場(chǎng)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(chǎng)分布情況見(jiàn)圖2。

圖2　小煤柱圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)

取煤柱中間位置的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)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(shì)，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?yàn)榇笥?m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(chǎng)分布情況見(jiàn)圖3。

同分析垂直應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(guò)程中，水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)小煤柱寬度為3m時(shí)，煤柱中部位移急劇變化，沒(méi)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(shí)，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(shí)的位移量。

圖3　小煤柱圍巖水平位移場(chǎng)

3.3模擬結(jié)果分析

由上述垂直應(yīng)力場(chǎng)和水平位移場(chǎng)的分布情況，可以看出煤柱寬度在4～6m范圍內(nèi)時(shí)，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(hù)。所以綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)兩方面因素，煤柱寬度取5m為宜。

4　礦壓觀測(cè)分析

為驗(yàn)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(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道斷面變形和錨桿受力情況，從工作面回采開(kāi)始觀測(cè)，直至工作面推進(jìn)距測(cè)站10m位置停止觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　礦壓觀測(cè)結(jié)果

隨著工作面回采不斷推進(jìn)，距離測(cè)站約50m超前支撐壓力開(kāi)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(jìn)量1260mm，說(shuō)明兩幫變形主要來(lái)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(cè)力計(jì)讀數(shù)最大達(dá)14MPa；兩幫錨桿測(cè)力計(jì)讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定說(shuō)明對(duì)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(hù)部分失效。從整個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)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(hù)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(kāi)采條件和圍巖物理力學(xué)參數(shù)，理論計(jì)算確定小煤柱寬度為4.7m。

（2）數(shù)值計(jì)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(jì)算結(jié)果綜合確定煤柱寬度為5m。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)踐及礦壓觀測(cè)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。

［1］侯朝炯，郭勵(lì)生，勾攀峰，等.煤巷錨桿支護(hù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［2］于 洋，柏建彪，陳 科，等.綜采工作面沿空掘巷窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010（7）:6-9.

［3］李學(xué)華，姚強(qiáng)嶺，丁效雷.窄煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定原理與技術(shù)［J］.煤礦支護(hù)，2008（2）:1-9.

［4］張 輝.近距離煤層采區(qū)下回采巷道位置優(yōu)化與控制［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（2）:157-161.

［5］張俊云，柴 敬.沿空留巷研究中若干問(wèn)題分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2000（1）:38-39.

［6］王 軍.山不拉3202綜采工作面合理煤柱留設(shè)研究［J］.煤炭科技，2013（3）:14-15，18.

［7］蘇海龍.窄煤柱護(hù)巷合理寬度探討［J］.礦山機(jī)械，2012，40（8）:19-24.

［8］陳淼明，王 永，陳 志，等.復(fù)合頂板窄煤柱沿空掘巷技術(shù)探討［J］.山西煤炭，2011，31（6）:22-24.

［9］劉 海，馮 濤，余偉健，等.沿空巷道小煤柱留設(shè)及其支護(hù)技術(shù)研究［J］.采礦技術(shù)，2014，14（6）:13-17.

［10］陳昌云，鄭西貴，于憲陽(yáng)，等.厚層砂巖頂板小煤柱沿空掘巷圍巖變形規(guī)律研究［J］.煤礦開(kāi)采，2011，16（1）:7-10，63.

［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(jí)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(kāi)采，2016，21（4）：78-80，64.