沿空掘巷小煤柱合理留设研究

2016-09-18胡光伟

采矿与岩层控制工程学报 2016年4期

关键词：空掘巷煤柱宽度

胡光伟

（中煤一建公司山不拉煤矿，内蒙古鄂尔多斯010499）

沿空掘巷小煤柱合理留设研究

胡光伟

（中煤一建公司山不拉煤矿，内蒙古鄂尔多斯010499）

山不拉煤矿3202工作面材料巷采用沿空掘进方式，为得到最优小煤柱尺寸，采用理论计算和数值模拟相结合的方法，综合分析确定小煤柱最优合理尺寸为5m。工业性试验及现场矿压观测表明，小煤柱留设5m宽度满足需求，保证了巷道安全掘进和回采的同时最大限度提高煤炭资源的采出率。此次研究实践成果为山不拉煤矿综放沿空掘巷小煤柱尺寸的合理留设提供了依据，并为类似条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的留设宽度提供了借鉴。

沿空掘巷；小煤柱；理论计算；数值模拟

近年来，随着矿井产量和开采强度的加大，对煤炭采出率和回采巷道的支护要求也越来越高，传统的留设较宽区段煤柱护巷的方式已不能满足生产需求，沿空掘巷留设小煤柱护巷，有提高煤炭资源的采出率和巷道易维护的优点，此项技术近年在我国各大矿区逐渐推广应用，取得良好效果［1］。沿空掘巷小煤柱尺寸的留设是沿空掘巷围岩控制的关键，若留设尺寸过大，煤柱及巷道将长期处于侧向支承压力升高区，不利于煤柱及巷道的稳定；若留设尺寸过小则煤柱煤体破碎，不能有效地密闭采空区。因此，小煤柱的留设应遵循以下原则:巷道位于应力降低区；有利于巷道的稳定；有利于锚杆支护；在满足以上原则的条件下尽量减少煤柱宽度［2］。

针对山不拉煤矿接续工作面情况，采用模拟计算与理论计算相结合的方法，研究确定沿空掘巷留设小煤柱尺寸。

1　工程背景

山不拉煤矿3202综采工作面位于井田西北部，工作面大部位于2-2煤房采区下部。工作面标高-329.1～-380.8m。南为3203采空区，北至3-2煤回收面，东与井筒保护煤柱相邻。所采煤层为3号煤，煤质较硬，f=2～3，内生裂隙发育，阶梯状断口。煤层厚度最大1.80m，最小1.65m，平均1.70m。煤层倾角1～3°，煤层直接顶为15m砂质泥岩，基本顶为24m细砂岩，直接底为24m砂质泥岩。中部含煤段地质柱状图如图1所示，各岩层物理力学参数见表1，工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤。

图1　地质柱状

表1　岩层物理力学参数

2　煤柱宽度理论计算

通过公式对小煤柱宽度进行理论计算，以初步确定小煤柱最小宽度值。采用极限平衡理论公式计算，合理煤柱的最小宽度为［3］:

式中，B为合理的煤柱最小宽度，m；b1为上区段工作面开采影响下，沿空掘巷小煤柱中破碎区宽度，根据现场实测情况，取2.2m；b2为巷道小煤柱帮锚杆有效长度，根据实际锚杆和药卷使用情况，取1.2 m；b3为考虑煤层厚度而增加的煤柱稳定性系数，b3=0.2（b1+b2）；m为上下区段平巷高度，m；A为侧压系数，A=μ/（1-μ）；μ为泊松比，μ=0.33；φ0为煤体的内摩擦角，（°）；C0为煤体的黏聚力，MPa；k为应力集中系数，k=3.0；γ为岩层平均容重，kN/m3；H为巷道埋藏深度，m；PX为对煤帮的支护阻力，kN。

通过理论计算得到小煤柱宽度，可以用于检验校核其他分析计算结果。考虑到3202工作面材料道实际地质条件，通过式（1）计算，得知合理小煤柱最小宽度理论值B为4.7m。

3　数值模拟分析

采用FLAC3D数值模拟软件对煤柱宽度合理留设进行数值计算，根据实际条件设定数值模型的边界条件为:模型侧面限制其水平位移，底部固定，模型上表面设定为应力边界，施加的荷载为10.0MPa，模拟上覆岩体的自重应力；水平方向的侧压系数为1.2，荷载大小为12.0MPa，模型设定为Mohr-Coulomb模型［4-5］。

数值模拟主要研究在不同宽度情况下，煤柱内的竖向应力场和水平位移场的分布情况。煤柱的宽度分别取3m，4m，5m，6m，8m，10m。

3.1垂直应力分布

不同煤柱宽度条件下巷道围岩垂直应力场分布情况见图2。

图2　小煤柱围岩垂直应力场

取煤柱中间位置的中部层位研究煤柱内应力场分布情况。从结果中可以看出，竖向应力呈现先减小后增大的趋势，煤柱在4～6m宽度范围内的竖向应力值最小。大于6m以后应力值随煤柱宽度的增加急剧增加，这是因为大于6m以后煤柱处于侧向支承应力集中区的原因。

3.2水平位移数值模拟结果

不同煤柱宽度条件下巷道围岩水平位移场分布情况见图3。

同分析垂直应力场分布情况一样，仍取煤柱高度一半的中部层位研究煤柱内水平位移场分布特征，由模拟结果可以看出:煤柱宽度从3m到10m的变化过程中，水平位移呈现先减小后增大的变化趋势，当小煤柱宽度为3m时，煤柱中部位移急剧变化，没有零位移区域，煤柱稳定性极差；当小煤柱宽度为4～6m时，煤柱中部位移比较稳定，有一定的零位移区域；当煤柱大于8m后，虽然中部稳定部分较大，但围岩向巷道内的位移量大于4～6m煤柱时的位移量。

图3　小煤柱围岩水平位移场

3.3模拟结果分析

由上述垂直应力场和水平位移场的分布情况，可以看出煤柱宽度在4～6m范围内时，煤柱内的最大垂直应力和水平位移均较小，煤柱整体稳定性较好，而且煤柱中发生塑性破坏的区域也较小，这样既有利于煤柱本身的稳定性，又有利于巷道围岩的锚杆索支护。所以综合考虑安全和经济两方面因素，煤柱宽度取5m为宜。

4　矿压观测分析

为验证3202工作面材料巷5m煤柱的合理性，在煤巷中设立矿压观测站，监测巷道断面变形和锚杆受力情况，从工作面回采开始观测，直至工作面推进距测站10m位置停止观测，结果见图4。

图4　矿压观测结果

随着工作面回采不断推进，距离测站约50m超前支撑压力开始显现，巷道逐渐产生较大变形，两帮变形表现尤为明显，两帮变形又以煤柱侧内移变形突出，两帮最大移进量1260mm，说明两帮变形主要来自煤柱一侧的变形。随巷道围岩变形应力调整，锚杆受力增大，顶板锚杆受力比两帮大，受超前压力影响，锚杆受力上升显著，顶锚杆测力计读数最大达14MPa；两帮锚杆测力计读数相对稳定说明对应锚杆受力上升较小甚至出现回落，反映出两帮锚杆支护部分失效。从整个矿压监测结果来看，3202工作面材料巷采用5m煤柱巷道断面变形及锚杆受力均符合预期，未出现异常失稳破坏情况，即在当前支护条件下采用5m煤柱宽度能够满足巷道安全生产的要求。