沿空掘巷合理窄煤柱確定及相似模擬研究*

張紅星,劉 鎬 ，高清平，黃棟梁，張啟松，張東洋

(六盤水師范學院， 貴州 六盤水市 553004)

沿空掘巷合理窄煤柱確定及相似模擬研究*

張紅星,劉 鎬 ，高清平，黃棟梁，張啟松，張東洋

(六盤水師范學院， 貴州 六盤水市 553004)

為提高煤與瓦斯突出煤層的快速掘進及巷道穩定性，以盛遠煤礦為例，通過巷道周邊圍巖應力分析、二維相似物理模擬實驗和現場礦壓觀測，確定了沿空掘巷窄煤柱合理寬度。結果表明：窄煤柱留設寬度為5.0 m，具有一定的承載能力，巷道圍巖變形量較小，能大大提高巷道的穩定性，同時降低了煤炭資源損失，實現了礦井安全生產。

沿空掘巷；相似模擬；窄煤柱；煤柱寬度

0 引 言

煤與瓦斯突出危險已嚴重影響了工作面掘進安全和速度。大量現場研究表明：采空區側范圍煤體存在一定的卸壓消突區，在此區域內實施沿空掘巷，不僅能提高煤巷穩定性，同時能消除突出危險，實現快速掘進。

然而，沿空掘巷的關鍵是確定窄煤柱的合理寬度，不同礦井煤巖賦存條件其煤柱寬度留舍存在明顯差異，不能依據經驗推斷。本文結合理論分析，通過二維相似物理模擬研究窄煤柱合理寬度，確保突出煤層沿空掘巷順利實施。

1窄煤柱寬度理論分析

沿空掘巷應力分布曲線如圖1所示。采空區側煤體經過長時間的卸壓，瓦斯含量逐步降低，若殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa，就相當于在無突出危險區域掘進，巷道掘進的速度和安全性將得到大大提高，能保證礦井安全生產。合理的留設煤柱寬度有利于改善圍巖應力狀態，提高窄煤柱、實體煤幫的穩定性，實現煤巷在卸壓消突區內安全掘進。

合理窄煤柱寬度應滿足：

w≤d-b-c

(1)

式中：d——卸壓消突區；根據《煤與瓦斯突出規定》，結合礦井實際，取d=15 m;

c——防突安全距；根據《煤與瓦斯抽采基本指標》，取c=5 m；

b——煤巷寬度；結合礦井實際，取b=4 m；

w——窄煤柱寬度。

將上述指標代入式(1)，可得沿空掘巷合理窄煤柱范圍：

w6 m

圖1 采空區側周邊圍巖應力分布

2 相似模擬實驗研究

盛遠煤礦采用平硐+斜井開拓，單水平上下山開采，開采方式為走向長壁后退式，采用綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板，設計生產能力90萬t/a，服務年限79 a。

41113工作面主要開采上二迭龍潭煤組11#煤層，俗稱大栓碳，黑色或褐黑色，塊狀或粉狀，線理至細條帶結構，斷口不平整，為半亮型煤。根據41113工作面實際揭露資料分析，該區域內煤層厚度較穩定，其厚度一般在2.8 m左右，傾角8°～10°，含3～4層夾矸，瓦斯含量為15.78 m3/t，為煤與瓦斯突出煤層。

相似模擬實驗分別選取2，3，4，5，6 m 共計5種窄煤柱寬度模擬方案進行對比分析，研究窄煤柱留設穩定性。模型規格：長×寬×高 = 4.0 m ×0.3 m ×1.8 m。幾何相似比 1/100 ，強度相似比為1/150，模型鋪設的巖層材料配比如表1所示，鋪設模型如圖2所示。鋪設過程中埋設壓力傳感器，分別布置在煤層底板和煤層中。為觀測模型在回采過程中的上覆巖層的運動情況，在模型中布置6條位移監測線，每條監測線安設9個位移點，采用TS3890型靜態應變測量處理儀進行采集和記錄。

表1 巖層材料配比

圖2 鋪設模型全景

盛遠煤礦41113工作面日進刀數設計為7刀，采煤機截深0.6 m，則每天推進4.2 m，即模擬時耗時144 min約割7刀，即模型中回采工作面每21 min回采一次，進一刀推進0.6 cm，按此速度開挖模型并持續向左推進。當工作面推進80 cm時，直接頂出現冒落，老頂出現大量裂隙，繼續推進到145 cm時，老頂出現斷裂，并周期下沉，待上一個工作面采空區形成后，放置1 d，直到上覆巖層穩定后，沿采空區實施沿空掘巷。不同煤柱寬度模擬實驗結果如圖3～圖7所示。

圖3 煤柱寬度2 m模擬實驗

圖4 煤柱寬度3 m模擬實驗

圖5 煤柱寬度4 m模擬實驗

圖6 煤柱寬度5 m模擬實驗

圖7 煤柱寬度6 m模擬實驗

由圖3～圖7可知，隨著煤柱寬度增加，煤柱承受的最大應力隨之增大。當煤柱寬度為2～3 m時，受上覆巖層集中應力影響，煤柱片幫嚴重且出現離層，表明煤柱產生塑性破壞，已喪失承載能力，巷道穩定性差。當煤柱寬度為4 m時，其承載能力和穩定性均所提高，表明煤柱內存在彈性區。當煤柱寬度為5～6 m時，巷道周邊圍巖基本無裂隙發育，煤柱承載能力進一步提升。

綜上所述，結合理論分析與物理相似模擬試驗，確定沿空掘巷窄煤柱的合理留設寬度為5 m。

3 現場考察

盛遠煤礦41113工作面進實施了留5 m煤柱沿空掘巷，采用十字布點法監測巷道斷面的位移，結果如圖8所示。

由圖8可知，掘進1～6 d內，巷道圍巖變形較為劇烈，巷幫平均移近速度 6.9 mm/d，最大移近量達到 160 mm，頂板平均下沉速率為9.1 mm/d，最大移近量達到37 mm，頂板整體離層量4.5 mm。6 d后，其變形趨于平緩。在掘進過程中，頂底板變形量要遠遠小于巷道兩幫，但煤柱穩定性較好。表明：當煤柱寬度為5.0 m時，巷道圍巖變形量在安全范圍內，窄煤柱整體較好且穩定。

圖8 巷道周邊圍巖變形曲線

4 總 結

通過應力分析、二維相似物理模擬實驗和現場礦壓觀測，確定了沿空掘巷窄煤柱合理寬度。窄煤柱留設寬度為5.0 m，具有一定的承載能力，巷道圍巖變形量較小，能大大提高巷道的穩定性，同時降低了煤炭資源損失，實現了礦井安全生產。

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國家級大學生創新創業計劃訓練項目(201510977010)；貴州省科學技術基金項目(黔科合J字LKLS[2013]03號);貴州省教育廳自然科學研究項目(黔教合KY字[2014]283號).

2017-06-10)

張紅星(1993-)，男，河南人，技術員，從事煤礦開采技術方面工作， Email：907529196@qq.com。