特厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

汪占領 孟憲志

(1. 天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；2. 煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，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1,2孟憲志1,2

(1. 天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京市朝陽區，100013；2. 煤炭科學研究總院開采研究分院，北京市朝陽區，100013)

為確定柳巷煤礦綜采工作面的合理煤柱尺寸，采用數值模擬的方法，研究工作面回采過程中超前支承壓力的分布規律和影響范圍，并結合理論計算結果，從而確定合理的煤柱尺寸為10 m。通過采用高預應力錨桿支護技術，改善了錨桿的主動支護能力，有效保證了煤柱穩定和巷道安全，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 預應力 錨桿支護

合理的區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定性。對于雙巷同時掘進的運輸巷和軌道巷之間一般留設20～40 m的煤柱，回采工作面掘進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新建的大型現代化礦井，設計生產能力1.20 Mt/a，所采的三號煤層平均厚度11.05 m。兩工作面間兩巷道中心間距先期設計為25 m，煤炭資源回采率大大降低。本文針對柳巷煤礦特厚煤層工作面開采條件和開采順序，對煤柱受力狀況進行分析，進而找到科學合理的煤柱尺寸。

1 礦井地質條件

柳巷煤礦主采3號煤層，煤層厚度為10.20～11.65 m，平均厚度為11.05 m，單軸抗壓強度為27.7 MPa。煤層埋深209～321 m。煤層結構簡單，個別含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、粉砂質泥巖為主，次為泥質粉砂巖、粉砂巖；底板以泥巖、粉砂質泥巖為主，泥質粉砂巖為次，個別細粒砂巖。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，掘進斷面面積為14.7 m2。30103工作面回風巷沿30101回采工作面掘進，區段煤柱寬度為20 m，工作面平面位置關系如圖1所示。30103工作面側幫沒有支護，加上受30101工作面的采動影響，巷道片幫嚴重，片幫情況如圖2所示。為了保證巷道穩定，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。

圖1 柳巷煤礦30103工作面平面布置圖

圖2 30103工作面回風巷破壞情況

2 數值模擬分析

采用FLAC3D軟件進行模擬，建模過程中嚴格按照柳巷煤礦現場實際工程地質狀況，坐標系采用直角坐標系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規定向上為正。取30103工作面回風巷底板中心為坐標原點，水平向右為X軸正方向，X方向長度為170 m，工作面一側取70 m長；沿巷道方向垂直向內為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，底部采用固定支護，上部為自由邊界。模型共劃分172250個單元，183924個節點，各巖層力學參數如表1所示，模型如圖1所示。根據現場巷道的變形情況和監測的數據，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部應力和塑性破壞區分布情況。

圖3 數值模擬模型況

巖性密度/kg·m-3體積模量/GPa剪切模量/GPa內聚力/MPa抗拉強度/MPa內摩擦角/(°)泥巖24202.51.701.20.7641砂質泥巖24802.912.721.351.0640碳質泥巖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 煤柱內應力分布狀態

當工作面回采后，煤柱內部出現了明顯的應力集中，不同煤柱寬度的應力集中程度差異很大。煤柱寬度為8 m時，最大垂直應力為26.0 MPa；煤柱寬度為10 m時，最大垂直應力為25.5 MPa；煤柱寬度為12 m時，最大垂直應力為25.3 MPa；煤柱寬度為15 m時，最大垂直應力為25.2 MPa。

由以上數據可知，當煤柱寬度由8 m增加到10 m時，煤柱內部應力集中有明顯的減少；煤柱寬度由10 m增加到15 m時，煤柱內部應力集中減少幅度較小。不同煤柱條件下，反映出煤柱應力的集中程度不同，煤柱在10 m以下時，煤柱內部的應力比較高，煤柱受到垂直應力的作用比較大；當煤柱在10 m以上時，煤柱受到垂直應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力作用基本趨于一致，再增加煤柱尺寸對維護煤柱的穩定效果不再明顯。

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范圍逐漸擴大，兩個工作面底板內的塑性區連成一體，且不同煤柱寬度在對巷道圍巖破壞范圍有一定影響。總體來看，煤柱寬度越小，巷道周圍和煤柱底板巖層的塑性區范圍越大；當煤柱寬度為8 m時，煤柱內的塑性區連接在一起，即煤柱裂隙貫通，不利于煤柱的穩定；當煤柱寬度大于10 m到15 m時，煤柱內部存在非塑性區范圍，有利于煤柱的穩定和采空區的防漏風。根據模擬工作面回采過程中煤柱內應力分布和煤柱破壞情況，當煤柱寬度大于10 m時，煤柱可以滿足礦井生產需要。

圖4 不同寬度煤柱塑性破壞區分布

3 理論分析

3.1 煤柱極限強度

煤柱極限強度本質上是指煤柱長期受垂直載荷作用下峰值應力點所能達到的極限應力，它不僅與實驗室煤巖試樣的單軸抗壓強度有關，而且與煤壁所獲得的沿水平方向的約束力有關。本文采用下式來計算煤柱的極限強度σymax:

σymax=KγH=2.729(ησc)0.729

(1)

式中：K——應力集中系數；

γ——覆巖平均容重，MN/m3；

H——平均開采深度，m；

η——煤柱流變系數；

σc——煤巖試塊的單軸抗壓強度，MPa。

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

柳巷煤礦巷道埋深240 m左右，原巖應力大約6.0 MPa。

3.2 煤柱寬度計算

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

B=x1+x2+x3

(2)

式中：B——區段煤柱寬度，m；

x1——煤柱在采空區一側的塑性區寬度，m；

x2——核區寬度，m；

x3——煤柱在巷道一側的塑性區寬度，m。

圖5 合理煤柱寬度計算示意圖

其中，x1參考綜采工作面在采空區一側的塑性區寬度計算公式計算：

(3)

式中：m——煤層厚度，m；

d——開采擾動因子，取1.5～3.0；

C——粘聚力，MPa；

σx——煤壁的側向約束應力，MPa；

φ——內摩擦角，(°)；

σ1——煤柱極限強度，MPa；

β——塑性區與核區界面處的側壓系數。

根據柳巷煤礦3號煤層的賦存特點及井筒檢查孔報告中煤巖體物理力學性質和強度指標測試結果，區段煤柱塑性區寬度計算所需各參數的選取見表2，考慮到煤柱受兩次采動影響，現取x3=x1，核區寬度x2取煤柱高度m，將表中各參數值代入式(3)，計算得區段煤柱寬度B=12.34 m。

表2 計算參數選取表

考慮到采空區積水較多，按《礦井水文地質規程》中建議的留設隔離煤柱寬度的計算方法從防水煤柱的角度進行分析計算：

(4)

其中:L——煤柱寬度，m；

k——安全系數，一般取2～5；

M——巷道高度，m；

p——水頭壓力，MPa；

KP——煤的抗拉強度，MPa。

目前國內各礦采用的煤的抗拉強度大多在0.2～1.4MPa之間。

采空區水壓為:

p1=γ1H1

(5)

式中：p1——采空區水區，kPa；

γ1——水的容重，kN/m3；

H1——水頭高度，m。

水頭高度根據下式計算：

(6)

式中：m——累計采厚，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)，計算得導水裂隙帶高度為110 m。重力加速度g取10 m/s2，得到采空區水壓為1.1 MPa。安全系數k取2.5，巷道高度M為3.5 m，煤的抗拉強度取0.44 MPa，代入式(4)計算得，所需煤柱寬度L為11.98 m。

考慮到采空區積水要及時抽排，并且要加強煤柱兩側巷幫支護，結合數值模擬分析結果，合理煤柱尺寸為10 m。

4 巷道支護方案及效果

4.1 支護方案

優化后的寬為10 m的煤柱掘進30105工作面回風巷支護方案為：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和450 mm×280 mm×4 mm的W型鋼護板，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。錨桿預緊扭矩不低于400 N·m。錨桿支護布置方案如圖4所示。

錨索采用直徑為17.8 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，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高強錨索托板，錨索預緊力達到150 kN。

圖6 錨桿支護布置圖

4.2 支護效果

巷道表面位移監測曲線如圖5所示。由圖5可知，掘進3～5 d后巷道變形趨于穩定，掘進期間頂底板最大移近量為25 mm，兩幫最大移近量為71 mm，其中煤柱側幫移近量為52 mm。從總體支護效果看，巷道支護狀況良好，圍巖變形得到有效的控制，煤柱保持穩定狀態。

圖7 巷道表面位移監測曲線圖

5 結論

(1)綜合考慮柳巷煤礦生產地質條件，結合數值模擬和理論計算結果，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，又能提高煤炭資源的回收率。

(2)煤柱的穩定不僅與煤柱尺寸相關，而且與巷道支護形式有很大關系，為了保證煤柱穩定，巷道支護采用高預應力錨桿支護技術，提高主動支護能力和預應力擴散效果。

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

(4)通過優化煤柱尺寸，減少了10 m煤柱的煤炭損失，提高了煤炭回收率，可為礦方創造巨大經濟效益。

[1] 國家煤炭工業局. 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程 [M]. 北京: 煤炭工業出版社, 2000

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

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

[4] 徐永圻. 采礦學 [ M]. 徐州: 中國礦業大學出版社,2003

[5] 謝廣祥,楊科,常聚才.綜放回采巷道圍巖力學特征實測研究 [J].中國礦業大學學報,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巷煤柱寬度研究 [J]. 中國煤炭，2012(1)

(責任編輯 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

國家科技支撐計劃課題(2012BAK04B06)，天地科技創新基金項目(KJ-2014-TDKC-07)

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