沿空掘巷煤柱合理宽度的确定＊

2013-05-05王洪明朱川曲付亚男王洪亮

采矿技术 2013年2期

王洪明，朱川曲，付亚男，王洪亮

（1.湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭市 411201；2.中石油工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘市 062552）

0 引言

沿空掘巷在国内已得到广泛的应用，其实质是沿上工作面采空区留设煤柱掘进巷道［1－2］。沿空掘巷时，合理的煤柱宽度是沿空掘巷技术成败的关键，加大煤柱宽度虽然可提高煤柱的承载能力，但煤柱留宽大，不仅要损失较多煤炭资源，而且也难以保证煤柱处在支承压力带影响范围外；煤柱尺寸小，不仅煤柱的稳定性差、承载能力低，而且巷道也难以维护。本文以贵州某矿21108回风巷为工程背景，通过数值模拟的方法，分析不同煤柱宽度条件下，煤柱塑性区的分布情况，根据煤柱内稳定核区［3］的分布，确定合理的煤柱宽度。

1 工程概况

1.1 地质概况

21108回风巷道位于该矿21采区10＃煤层，标高＋1345～＋1290m左右，工作面距地表垂深520～765m，煤层厚度为1.6～2.0m，煤层倾角7°～10°，粉粒状，少量碎块，半暗型，金属光泽，含夹矸1～2层；直接顶为8m的中厚菱铁质粉砂岩与粉砂岩互层；底板为13.5m的灰色粉砂岩、细砂岩与菱铁质粉砂岩互层，21108回风巷与相邻的21106工作面运巷之间留有5m宽的煤柱，巷道在开挖后一个月内变形量即达到了1000mm，上帮煤柱侧变形破坏严重，严重影响了该工作面的回采。

1.2 支护情况

21108回风巷设计矩形断面，巷道开挖宽度5 m，高为3m，巷道断面积为15m2，该巷道支护采用锚网索的支护形式，即金属锚杆—锚索配合钢筋梯子梁和金属菱形网进行支护。锚索长度6000mm，采用Φ17.8mm钢绞线制成，顶板布置3根，上帮布置2根，锚索托盘采用300mm×300mm×16mm钢板制成，锚索间排距为2800mm×700mm；锚杆长度2500mm，采用Φ20mm的螺纹钢制成，全断面布置13根锚杆，锚杆托板为140mm×140mm×8mm的钢板制成，锚杆间排距为700mm×700 mm；钢筋梯子梁规格为4 000mm×50mm，采用Φ10mm钢筋制成；金属菱形网为4000mm×1100 mm，采用10＃铁丝编制；两帮支护为锚梁网支护，锚杆间排距为700mm×700mm，全断面铺设钢筋梯子梁和挂铁丝网。

2 煤柱宽度数值模拟分析

基于该工作面开采条件，采用离散元数值模拟计算程序FLAC5.0，模拟分析该开采条件不同护巷煤柱宽度条件下，煤柱塑性区的分布状况，根据巷道现有支护方案和地质条件，建立21108回风巷数值模拟模型。采用FLAC5.0数值模拟软件进行模拟计算，本构模型采用摩尔－库仑模型，根据开采深度，模型上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面水平位移固定，下表面垂直水平位移固定。

通过对比分析煤柱内部塑性区分布的数值模拟结果可以得到一个较优方案。分别选取窄煤柱宽度为5，7，8m3个方案，利用FLAC5.0计算煤柱内部塑性区分布情况，结果见图1和表1。

图1 不同煤柱宽度的煤柱塑性区分布

表1 塑性区分布

从图1和表1可以看出，当煤柱宽度为5m时，整个煤柱区域都处在塑性区内，煤柱失稳，不存在稳定核区；当煤柱宽度增加到7m时，煤柱存在稳定核区，且稳定核区宽度1.4m，稳定核区约为塑性区的0.25；当煤柱宽度增加到8m时，煤柱存在稳定核区，且稳定核区宽度2.8m，稳定核区约为塑性区的0.5。很显然，当煤柱宽度为7～8m时，煤柱内部存在稳定核区，该区域是保证煤柱稳定的关键区域，同时考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，稳定核区宽度一般为塑性区域宽度的0.2［4－6］，所以，煤柱宽度选择7m为宜。

3 煤柱松动圈测试

对21108回风巷煤柱内部结构详细调查，使用JL－IDOI2011智能钻孔光学成像仪详细观察围岩内部结构。在测点位置，使用钻头直径Φ24mm的锚杆钻机打孔，孔深4m（5～7m范围因结构破碎无法探测），煤柱内部结构见图2。

图2 煤柱内部结构

由图2可知，距孔口0～1.1m范围内，岩性较软，剥落破碎严重；距孔口1.1～2.1m范围内岩层相对较好，局部有横向裂纹；距孔口2.1～3.0m范围内岩层较完整；距孔口3.0～4.0m范围内岩层局部出现剥落现象。可以看出，煤柱巷道侧松动圈范围在2.1m以内，其中2.1～3.0m，围岩较完整，属于煤柱的稳定核区。

现场实测的结果与数值模拟结果基本吻合。