大采高工作面沿空掘巷窄煤柱寬度研究

閆晉峰

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院；2.山西潞安集團常村煤業(yè)有限公司)

大采高工作面沿空掘巷窄煤柱寬度研究

閆晉峰1，2

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院；2.山西潞安集團常村煤業(yè)有限公司)

針對某礦地質(zhì)條件，運用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法對厚煤層合理煤柱寬度進行研究，分析了不同寬度煤柱條件下2602工作面主巷的圍巖變形規(guī)律以及應(yīng)力分布規(guī)律，得出了2602工作面回采巷道的合理布置位置以及沿空掘巷煤柱尺寸的合理寬度為5 m，為類似條件下巷道掘進和布置提供參考。

大采高 沿空掘巷 窄煤柱寬度 數(shù)值模擬

沿空掘巷是提高煤炭回收率的有效手段，其實質(zhì)是在本階段煤體邊緣與上階段采空區(qū)交界處掘進巷道，留設(shè)合理煤柱，使巷道位于采空區(qū)邊緣的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，以減輕巷道所受壓力，達到容易維護的目的。留設(shè)合理煤柱寬度，有助于降低巷道支護、維護成本，提高煤炭資源回采率，對保證巷道穩(wěn)定性相當重要。合理煤柱寬度大部分依靠經(jīng)驗值判斷，缺乏一定的依據(jù)，不僅造成煤炭資源的浪費，也造成在生產(chǎn)過程中巷道難以維護、出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?。近年來，國?nèi)外科研工作者對留設(shè)煤柱寬度進行了大量研究[1-2],但對于大采高工作面留設(shè)窄煤柱寬度方面研究比較少。本文根據(jù)某礦地質(zhì)條件，采用理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法對窄煤柱寬度選取進行研究，以實現(xiàn)2602工作面回采巷道的快速、安全、經(jīng)濟掘進的目標。

1 工作面概況

礦井原設(shè)計生產(chǎn)能力為0.3 Mt/a，技改后核定生產(chǎn)能力為0.85 Mt/a，礦體走向長1 650～4 100 m，平均為4 000 m；傾向長1 375～1 650 m，平均為1 600 m；面積為6.4 km2。主采2#煤層為焦煤，煤層厚度大，主要采用輕型綜采放頂煤回采工藝。2602工作面位于礦井西翼2600采區(qū)南翼中部，其傾斜上方為2601工作面，煤柱寬6 m，2602副巷在實體煤中掘進，作為軌道順槽，工作面傾斜長120 m，走向長745 m。 工作面位置見圖1。

2 煤柱寬度理論計算

根據(jù)極限平衡理論[3]，保證窄煤柱穩(wěn)定的最佳寬度計算公式為

圖1 工作面位置示意

(1)

(2)

式中，x1為上區(qū)段工作面開采產(chǎn)生在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中的破碎區(qū)寬度，m；x2為窄煤柱一幫錨桿的安全長度，錨桿長1.2 m，安全系數(shù)為1.15，m；x3為考慮的煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按x3=(0.3～0.4)(x1+x2)計算；m為煤層采厚，取4.5 m；A為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，取35°；C0為煤層界面的黏聚力，取2.45 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取3;γ為巖層平均容重，取值為25 kN/m3；H為巷道埋深，取600 m；PZ為對煤幫的支護阻力，取0.3 MPa。

根據(jù)2602工作面的實際地質(zhì)條件，計算得出x1=2.38 m，x2=1.38 m，x3=1.12～1.5 m，由此得出B=4.88～5.36 m，考慮減少資源浪費與錨桿支護效果，取窄煤柱寬度理論計算值為5 m，即沿采空區(qū)邊緣留5 m窄煤柱布置2602巷。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立與參數(shù)選取

對該礦厚煤層回采巷道進行模擬，分析2602工作面主巷圍巖應(yīng)力分布特點和圍巖變形規(guī)律，為巷道支護提供依據(jù)。建立如圖2所示的數(shù)值模擬模型，模型寬60 m，高100 m，兩側(cè)施加X方向位移約束，Y方向自由，底部固支邊界，上部按600 m埋深施加垂直應(yīng)力。

圖2 數(shù)值模擬模型

模擬巷道寬4 m，高3 m，巷道下幫沿煤層頂板掘進，下幫破底。巷道圍巖物理力學參數(shù)見表1。

表1 巷道圍巖物理力學參數(shù)

3.2 掘巷期間煤柱與巷道圍巖的受力與變形分析

從沿采空區(qū)邊緣到垂直應(yīng)力的峰值(煤體內(nèi)距采空區(qū)2 m)范圍內(nèi)設(shè)計8種窄煤柱寬度的方案進行比較和分析。煤柱寬度分別為3，4，5，6，7，8，10，15 m。

3.2.1 不同煤柱寬度下煤柱應(yīng)力分析

2603工作面冒落穩(wěn)定后，以側(cè)向支承應(yīng)力分布曲線為依據(jù)選擇不同煤柱寬度掘進2602工作面主巷。圖3為不同窄煤柱寬度下巷道掘進后煤柱垂直應(yīng)力等值線分布圖。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力等值線分布

由圖3可知，不同寬度煤柱應(yīng)力分布有較大差異。煤柱寬3 m時，煤柱上應(yīng)力峰值基本處于煤柱中心，由于煤柱寬度小，其承載能力低，導(dǎo)致煤柱壓垮，呈塑性狀態(tài)，同時2602工作面主巷靠煤柱側(cè)一幫承載壓力大，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易出現(xiàn)大變形。煤柱寬度為4～15 m時，隨著煤柱寬度的增加，煤柱上應(yīng)力峰值向采空區(qū)側(cè)偏移，同時煤柱的整體承載能力逐漸提高，2602工作面主巷煤柱側(cè)一幫所受載荷逐漸降低，穩(wěn)定性逐漸提高。

開挖2602主巷后，不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力以及剪應(yīng)力沿煤柱寬度方向的應(yīng)力分布見圖4。

圖4 不同煤柱寬度下沿煤柱寬度方向的應(yīng)力分布

由圖4可知：

(1)不同寬度煤柱上垂直應(yīng)力狀態(tài)出現(xiàn)較大差異。煤柱寬3 m時，已經(jīng)喪失承載能力，其垂直應(yīng)力峰值均較低。煤柱寬度從4 m逐漸增加到15 m過程中，煤柱應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加變化不明顯，煤柱承載能力逐漸提高，主巷趨于穩(wěn)定。

(2)煤柱寬度對水平應(yīng)力分布的影響小于對垂直應(yīng)力分布的影響。除3 m小煤柱因失去承載力而導(dǎo)致水平應(yīng)力處于較低狀態(tài)外，其余不同煤柱寬度下煤柱所受水平應(yīng)力基本相同。沿煤柱寬度方向水平應(yīng)力先增大后減小，整體分布近似于馬鞍形。水平應(yīng)力峰值大約為垂直應(yīng)力峰值的1/4左右。

(3)煤柱寬度對剪應(yīng)力分布的影響大于對水平應(yīng)力的影響。不同煤柱寬度下煤柱兩側(cè)的剪應(yīng)力方向相反，大小基本相同。沿煤柱寬度方向剪應(yīng)力先增大后減小為零，最后剪應(yīng)力改變方向再增大。剪應(yīng)力的峰值大約為垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力之和的0.17倍。

3.2.2 不同煤柱寬度下煤柱位移分析

沿煤柱高度方向取中部層位作為研究窄煤柱內(nèi)部位移場分布狀態(tài)的對象，研究掘進期間煤柱水平位移情況。掘巷期間窄煤柱水平位移分布曲線見圖5。

圖5 掘巷期間窄煤柱位移分布曲線

由圖5可知，煤柱寬3 m時，靠近采空區(qū)側(cè)的煤體的水平位移值較大，靠近巷道側(cè)水平位移較小，不符合窄煤柱選取原則；隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)位移總體呈現(xiàn)降低趨勢，且隨著距離煤柱采空側(cè)一幫距離的增大，煤柱內(nèi)的位移量緩慢降低，并趨于穩(wěn)定；隨著煤柱寬度的增大，主巷煤柱側(cè)一幫的變形量隨著煤柱寬度的增大先迅速降低，然后緩慢降低，并趨于一穩(wěn)定值。

3.2.3 不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖變形分析

掘巷期間窄煤柱內(nèi)煤柱表面向巷道內(nèi)的位移與其寬度的關(guān)系見圖6。

圖6 掘進期間煤柱寬度與巷道圍巖變形量關(guān)系

由圖6可知：

(1)巷道頂板下沉量隨煤柱寬度的增大而減小。煤柱寬3 m時，頂板下沉量最大；寬度為3～4 m 時，頂板下沉量急劇減??；寬度為4～15 m時，頂板下沉繼續(xù)減小，但變化不大。

(2)巷道底鼓量隨煤柱寬度的增大而減小。煤柱寬3 m時，巷道底鼓量較大；寬度為3～4 m時，底鼓量減小較大；寬度大于4 m后底鼓量趨于穩(wěn)定。

(3)窄煤柱位移量隨煤柱寬度的增大而減小。煤柱寬3 m時，窄煤柱整體向采空區(qū)滑動；寬度為4～15 m時，窄煤柱幫向巷道側(cè)移動，且位移量隨煤柱寬度的增大而減小。

(4)實煤體幫位移量隨煤柱寬度的增大沒有明顯的變化，比較穩(wěn)定，只是隨著煤柱寬度的增大略微減小，變化量不大。

(5)兩幫移近量隨煤柱寬度的增大而減小，頂?shù)装逡平侩S煤柱寬度的增大而減小。

3.3 回采期間沿空掘巷圍巖變形分析

2602主巷作為工作面的運輸順槽，在回采期間，主巷受工作面采動側(cè)向支承壓力的影響，礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道維護困難，往往需要加強支護。此時如果留設(shè)的區(qū)段煤柱寬度不當，就會出現(xiàn)煤柱被壓酥、壓碎現(xiàn)象，使煤柱喪失承載能力，加重巷道的變形破壞。圖7是模擬采動影響下不同煤柱寬度的沿空掘巷受本區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫ψ饔玫膰鷰r收斂情況。2602工作面回采期間，沿空巷道圍巖變形情況見表2。

由圖7可知：

(1)煤柱寬3～5m時，底鼓量最小，且變化不明顯；煤柱寬4～5m時，頂板下沉量變化不大；煤柱寬度大于10m時，頂板下沉量變化明顯，但小于煤柱寬4～6m時的頂板下沉量。

表2 不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖變形情況

(2)煤柱寬8 m時，窄煤柱變形量最大，寬度大于10 m 后變形量趨于穩(wěn)定；煤柱寬4～5 m時，窄煤柱變形量變化不大，且小于煤柱大于10 m時的變形量。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬，分析了沿空掘巷留小煤柱條件下應(yīng)力分布特征以及煤柱寬度對巷道變形影響。在2602工作面回采期間，煤柱寬3～5 m時巷道變形量較小，且變化不明顯。經(jīng)綜合分析，留4～5 m窄煤柱沿空掘巷在主巷掘進期間和工作面回采期間變形較小。結(jié)合該礦實際情況，為避免窄煤柱兩側(cè)錨桿相互碰撞，最終確定沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為5 m。

[1] 何滿潮.軟巖工程地質(zhì)力學研究進展[J].工程地質(zhì)學報,2000(1):46-62.

[2] 吳 楊,馬鳳森,侯圣權(quán).松軟煤層沿空掘巷圍巖變形破壞規(guī)律研究[J].煤炭開采,2012,17(3):39-41,57.

[3] 康紅普,王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術(shù)[M]．北京:煤炭工業(yè)出版社，2007．

2015-03-09)

閆晉峰(1983—)，男，工程師，030024 山西省太原市。