沿空掘巷合理窄煤柱确定及相似模拟研究*

2017-10-23张红星高清平黄栋梁张启松张东洋

采矿技术 2017年5期

关键词：空掘巷模拟实验煤柱

张红星,刘镐，高清平，黄栋梁，张启松，张东洋

(六盘水师范学院，贵州六盘水市 553004)

沿空掘巷合理窄煤柱确定及相似模拟研究*

张红星,刘镐，高清平，黄栋梁，张启松，张东洋

(六盘水师范学院，贵州六盘水市 553004)

为提高煤与瓦斯突出煤层的快速掘进及巷道稳定性，以盛远煤矿为例，通过巷道周边围岩应力分析、二维相似物理模拟实验和现场矿压观测，确定了沿空掘巷窄煤柱合理宽度。结果表明：窄煤柱留设宽度为5.0 m，具有一定的承载能力，巷道围岩变形量较小，能大大提高巷道的稳定性，同时降低了煤炭资源损失，实现了矿井安全生产。

沿空掘巷；相似模拟；窄煤柱；煤柱宽度

0 引言

煤与瓦斯突出危险已严重影响了工作面掘进安全和速度。大量现场研究表明：采空区侧范围煤体存在一定的卸压消突区，在此区域内实施沿空掘巷，不仅能提高煤巷稳定性，同时能消除突出危险，实现快速掘进。

然而，沿空掘巷的关键是确定窄煤柱的合理宽度，不同矿井煤岩赋存条件其煤柱宽度留舍存在明显差异，不能依据经验推断。本文结合理论分析，通过二维相似物理模拟研究窄煤柱合理宽度，确保突出煤层沿空掘巷顺利实施。

1窄煤柱宽度理论分析

沿空掘巷应力分布曲线如图1所示。采空区侧煤体经过长时间的卸压，瓦斯含量逐步降低，若残余瓦斯压力低于0.74 MPa，就相当于在无突出危险区域掘进，巷道掘进的速度和安全性将得到大大提高，能保证矿井安全生产。合理的留设煤柱宽度有利于改善围岩应力状态，提高窄煤柱、实体煤帮的稳定性，实现煤巷在卸压消突区内安全掘进。

合理窄煤柱宽度应满足：

w≤d-b-c

(1)

式中：d——卸压消突区；根据《煤与瓦斯突出规定》，结合矿井实际，取d=15 m;

c——防突安全距；根据《煤与瓦斯抽采基本指标》，取c=5 m；

b——煤巷宽度；结合矿井实际，取b=4 m；

w——窄煤柱宽度。

将上述指标代入式(1)，可得沿空掘巷合理窄煤柱范围：

w6 m

图1 采空区侧周边围岩应力分布

2 相似模拟实验研究

盛远煤矿采用平硐+斜井开拓，单水平上下山开采，开采方式为走向长壁后退式，采用综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板，设计生产能力90万t/a，服务年限79 a。

41113工作面主要开采上二迭龙潭煤组11#煤层，俗称大栓碳，黑色或褐黑色，块状或粉状，线理至细条带结构，断口不平整，为半亮型煤。根据41113工作面实际揭露资料分析，该区域内煤层厚度较稳定，其厚度一般在2.8 m左右，倾角8°～10°，含3～4层夹矸，瓦斯含量为15.78 m3/t，为煤与瓦斯突出煤层。

相似模拟实验分别选取2，3，4，5，6 m 共计5种窄煤柱宽度模拟方案进行对比分析，研究窄煤柱留设稳定性。模型规格：长×宽×高 = 4.0 m ×0.3 m ×1.8 m。几何相似比 1/100 ，强度相似比为1/150，模型铺设的岩层材料配比如表1所示，铺设模型如图2所示。铺设过程中埋设压力传感器，分别布置在煤层底板和煤层中。为观测模型在回采过程中的上覆岩层的运动情况，在模型中布置6条位移监测线，每条监测线安设9个位移点，采用TS3890型静态应变测量处理仪进行采集和记录。

表1 岩层材料配比

图2 铺设模型全景

盛远煤矿41113工作面日进刀数设计为7刀，采煤机截深0.6 m，则每天推进4.2 m，即模拟时耗时144 min约割7刀，即模型中回采工作面每21 min回采一次，进一刀推进0.6 cm，按此速度开挖模型并持续向左推进。当工作面推进80 cm时，直接顶出现冒落，老顶出现大量裂隙，继续推进到145 cm时，老顶出现断裂，并周期下沉，待上一个工作面采空区形成后，放置1 d，直到上覆岩层稳定后，沿采空区实施沿空掘巷。不同煤柱宽度模拟实验结果如图3～图7所示。

图3 煤柱宽度2 m模拟实验

图4 煤柱宽度3 m模拟实验

图5 煤柱宽度4 m模拟实验

图6 煤柱宽度5 m模拟实验

图7 煤柱宽度6 m模拟实验

由图3～图7可知，随着煤柱宽度增加，煤柱承受的最大应力随之增大。当煤柱宽度为2～3 m时，受上覆岩层集中应力影响，煤柱片帮严重且出现离层，表明煤柱产生塑性破坏，已丧失承载能力，巷道稳定性差。当煤柱宽度为4 m时，其承载能力和稳定性均所提高，表明煤柱内存在弹性区。当煤柱宽度为5～6 m时，巷道周边围岩基本无裂隙发育，煤柱承载能力进一步提升。

综上所述，结合理论分析与物理相似模拟试验，确定沿空掘巷窄煤柱的合理留设宽度为5 m。

3 现场考察

盛远煤矿41113工作面进实施了留5 m煤柱沿空掘巷，采用十字布点法监测巷道断面的位移，结果如图8所示。

由图8可知，掘进1～6 d内，巷道围岩变形较为剧烈，巷帮平均移近速度 6.9 mm/d，最大移近量达到 160 mm，顶板平均下沉速率为9.1 mm/d，最大移近量达到37 mm，顶板整体离层量4.5 mm。6 d后，其变形趋于平缓。在掘进过程中，顶底板变形量要远远小于巷道两帮，但煤柱稳定性较好。表明：当煤柱宽度为5.0 m时，巷道围岩变形量在安全范围内，窄煤柱整体较好且稳定。