青洼煤业沿空掘巷小煤柱宽度研究及应用

2020-05-11张小虎

山东煤炭科技 2020年4期

张小虎

（晋煤集团晟泰公司生产管理部，山西晋城 048006）

1 工作面概况

青洼煤业2203工作面开采2号煤层，煤层倾角为8～11°，平均9.5°，煤层厚度为3.85～6.2m，平均厚度4.66m。工作面直接顶板为4.0m厚粉砂岩，基本顶为厚3.25m砂岩；直接底为厚1.5m泥岩，基本底为厚7.0m粉砂岩。2205工作面回采完成以后，在本工作面左侧沿空掘巷，作为2203工作面回风巷。为保证沿空掘巷的稳定性，需在两个工作面之间合理留设保护煤柱。

2 小煤柱合理尺寸数值模拟研究

数值模拟确定煤柱宽度是常用的技术手段[1-3]，采用FLAC3D分别模拟2203与2205工作面之间小煤柱3m、5m、6m、8m的宽度。根据2203工作面地质条件，建立380m×464m×45m的力学模型，材料参数如表1所示，垂直方向施加5.5MPa应力，水平侧压系数为1。

表1 2203工作面材料参数

3 小煤柱合理尺寸模拟结果分析

3.1 垂直应力分析

（1）3m煤柱

上区段工作面2205回采稳定之后，模拟分析留设3m煤柱时掘进2203回采巷道围岩垂直应力演变规律，煤柱应力统计表如表2所示。

表2 3m煤柱上方应力统计表

由表2可知，垂直应力峰值在煤柱中间位置以及实体煤帮深度5m处形成，构成了巷道左右两边为垂直应力集中区。在煤柱上方呈现“对称”分布[4-5]，应力曲线出现单峰值，垂直应力最大为13.3MPa，达到原岩应力的2.4倍，在实体煤侧应力峰值达到50MPa左右。在实体煤侧，应力先增大后减小，距采空区边缘距离35m以后应力逐渐恢复至原岩应力。煤层层位的垂直应力小于巷道层位，3m煤柱上方应力为10.9MPa，为原岩应力的1.98倍，而实体煤侧应力为45.9MPa。

（2）5m煤柱

上区段工作面2205回采稳定之后，模拟分析留设5m煤柱时掘进2203回采巷道围岩垂直应力演变规律，煤柱应力统计表如表3所示。

由表3可知，在煤柱上方应力存在拐点，在距采空区2～3m应力出现缓增拐点，应力从18MPa增长到峰值22MPa，在实体煤侧应力峰值达到47MPa左右。5m煤柱上方垂直应力为15.2MPa，为原岩应力的2.76倍，而实体煤侧应力为45MPa。

（3）6m煤柱

上区段工作面2205回采稳定之后，模拟分析留设6m煤柱时掘进2203回采巷道围岩垂直应力演变规律，煤柱应力统计表如表4所示。

表3 5m煤柱时应力统计表

表4 6m煤柱时应力统计表

由表4可知，在煤柱上方应力存在拐点，在距采空区2m应力出现缓增拐点，应力从19MPa增长到峰值32MPa，在实体煤侧应力峰值达到45MPa左右。6m煤柱上方垂直应力为19.3MPa，为原岩应力的3.5倍，超过3倍的原岩应力，而实体煤侧应力为38.6MPa。

（4）8m煤柱

上区段工作面2205回采稳定之后，模拟分析留设8m煤柱时掘进2203回采巷道围岩垂直应力演变规律，煤柱应力统计表如表5所示。

由表5可知，垂直应力在煤柱上方呈现“对称” 分布，应力曲线出现单峰值，垂直应力最大为45MPa，在实体煤侧应力峰值达到36MPa左右。7m煤柱上方垂直应力为30.7MPa，为原岩应力的5.58倍，而实体煤侧应力为35.1MPa。

表5 8m煤柱时应力统计表

根据不同煤柱宽度模拟结果可知，煤柱宽度由3m增加到6m时，垂直应力峰值出现激增，垂直应力大小从13.3MPa增长到32MPa左右，说明小煤柱主要承载，3～5m煤柱留设可以满足沿空掘巷。但由于矿上采用的是2.2m的锚杆，5m以上煤柱可以防止锚杆对穿，6～8m应力基本也是均匀增加，5m煤柱是应力转折，因此，小煤柱宽度为5m时，为最优方案。

3.2 塑性区分析

掘进期间留设不同宽度煤柱时，巷道围岩的塑性区分布如图1所示。

图1 掘进时期不同煤柱塑性区分布规律

由图1可知，当煤柱宽度为3m时，巷道周围岩体都会出现不同程度的破坏，煤柱整体完全处于塑性或塑性破坏状态，此时煤柱在应力的作用下几乎已经完全破坏，但仍然具有一定的承载能力。随着煤柱宽度的增加，煤柱内部塑性区所占比例逐渐减少，煤柱破坏程度有所降低。当煤柱宽度为6m时，煤柱中间部位将出现小范围的弹性区，此时的煤柱变形最为稳定。随着煤柱宽度达到6m及以上，实体煤帮的应力增大导致帮部塑性区增大，煤体破坏严重。因此，小煤柱宽度为5m时，为最优方案。