浅埋煤层沿空掘巷窄煤柱合理尺寸确定*

2021-06-03张玉鹏马振虎

陕西煤炭 2021年3期

张玉鹏,马振虎,项敏

(1.中煤西北能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017307；2.南梁矿业有限责任公司，陕西榆林 719400)

0 引言

采用沿空掘巷对南梁煤矿提高煤炭回收率、降低巷道维护费用、减少矿压对巷道的影响、提高矿井服务年限和经济效益都有着非常重要的作用[1]。在国内基于以下理论认为沿空掘巷在理论上是可行的[2]，即由于沿空掘巷是沿已经稳定了的采空区边线或与采空区之间留窄小煤柱布置巷道[3]，在该巷掘进时，相邻采空区岩层活动相对已经终止，其回采期引起的应力重新分布也趋于稳定，此时沿空掘进的巷道位于应力降低区，为沿空掘巷提供了有利的条件[4-7]。

矿井煤炭损失主要包括煤柱损失、工作面初末采损失及回采工艺损失等，其中煤柱损失占相当大的比例。南梁煤矿综采工作面倾向长度按240 m，走向2 000 m，煤层厚度为2.0 m，当留设15 m的煤柱时煤炭损失达7.8万t，煤炭损失率为5.88%，造成了大量的煤炭资源浪费。因此，为了减少煤炭损失、提高经济效益，采用沿空掘巷是非常有必要的，故选取适用于浅埋煤层理论建立数学模型，采用相关力学模型和模拟计算进行综合分析，以确定最佳的窄煤柱合理尺寸[8-10]。

1 工程概况

根据计划，30100工作面顺槽掘进集中在2018年11月开工和2019年3月竣工，工作面回采时间预估为2019年7月至2020年1月。30100工作面作为南梁煤矿沿空掘巷试验工作面，采用传统沿空掘巷方式方案。30100辅运顺槽地表相对位置位于井田东南部，工作面地表为红草沟，西部为小则沟，东部为红草湾沟，东南侧为井田边界。地面标高为+1 176～+1 273 m，工作面标高为+1 143～+1 160 m。30100辅运顺槽井下位置位于矿井400 m皮带巷东北侧，北侧为30102采空区，西南侧为30001采空区，东侧为30100工作面切眼(已掘好)，东南侧为井田边界，上部为2-2煤未开采，30100辅运顺槽设计掘进长度为1 035 m。根据30102工作面实际揭露顶底板资料，30100工作面顶底板条件见表1。

表1 30100工作面煤层顶底板情况表Table 1 Roof and floor conditions of coal seam in No.30100 working face

2 窄煤柱合理尺寸

2.1 理论分析

南梁煤矿煤炭储量相对较少，为了实现煤矿的可持续发展，减少煤柱损失提高煤炭回收率是南梁煤矿一项重要的任务。以南梁煤矿为例，若将15 m煤柱改为5 m煤柱，每采一个工作面可以减少10 m的煤柱损失，采24个工作面，即可省出长240 m的工作面。减少区段煤柱损失，相应增加了采区的服务年限，减少采区的搬迁次数，缓解采区接替紧张状况，同时因为增大了采区的服务年限，为采区服务的巷道、硐室和设备在盘区内的服务年限就会延长，由此减少了固定资产的折旧费。南梁煤矿工作面巷道矿压显现不明显，其主要原因是工作面巷道两帮均为实体煤，周围没有采空区，没有形成大的应力集中，且工作面埋深较浅，垂直应力较小。下区段工作面顺槽的上帮为相邻工作面的采空区，工作面形成的应力集中会影响到此工作面顺槽的稳定性。因此，为了减少巷道维护次数，提高巷道的稳定性，实现安全生产，应首先对南梁煤矿窄煤柱宽度进行理论计算。

2.2 理论计算

根据沿空掘巷窄煤柱合理尺寸确定原则，窄煤柱宽度应该能够满足锚杆安装要求，煤柱不可以过窄，过窄时导致锚杆锚固段锚固在上区段引起的破碎区范围内，从而影响锚杆锚固效果，削弱了锚杆控制效果。根据极限平衡理论，窄煤柱合理宽度计算如图1所示。

图1 窄煤柱合理宽度计算示意Fig.1 Calculation of reasonable width of narrow coal pillar

保持煤柱稳定的合理窄煤柱宽度计算公式为

B=x1+x2+x3

(1)

式中，B为窄煤柱宽度，m；x1为采空区影响的塑性区宽度，m；x2为窄煤柱帮采用的锚杆有效长度，并且按照15%富裕系数增加宽度，m；x3为由于开采煤层为中厚煤层，为保持煤柱稳定，考虑到一定富裕系数，取x3=0.2(x1+x2)。

一些学者分析认为，上区段工作面回采后，实体煤上方基本顶破断位置基本处于弹塑性交接处上方，再以破断位置为轴，向采空区方向旋转。因此，x1即为基本顶破断位置距离采空区的距离X0。断裂位置距上区段采空侧煤壁的距离X0计算见式(2)

(2)

将式(2)带入式(1)可以得到窄煤柱合理宽度计算公式

(3)

式中，m为煤层采厚，取2 m；A为侧压系数，A=μ/(1-μ)，泊松比μ=0.2，则A=0.25；φ0为煤层界面内摩擦角，30°；C0为煤层界面的粘结力，4 MPa；K为应力集中系数，取1.5；γ为岩层平均容重，18 kN/m3；H为巷道埋深，100 m；PZ为锚杆支护对煤帮提供的支护阻力，0.25 MPa。

计算得出x0=2.53 m，锚杆的有效长度L′取1.3～1.8 m，代入以上公式，得出合理窄煤柱宽度B=4.83～5.55 m。

3 窄煤柱数值模拟及工程实践分析

为了避免现场盲目试验带来的危险性，运用FLAC3D数值模拟软件对窄煤柱留设进行模拟分析，分析在不同窄煤柱尺寸条件下的围岩力学参数变化形态及围岩运移规律，从而对比得出最优窄的煤柱尺寸。

3.1 模拟方案的建立

模拟模型的顶板基岩参考距离沿空巷道约330 m处的补3钻孔柱状图和其相近钻孔资料进行建模。考虑到南梁实际埋深情况以及本次研究的对象尺寸效应，在FLAC软件中建立了长200 m，宽150 m，高70 m的库伦准则本构模型来进行南梁煤矿30100工作面沿空掘巷的模拟开采，由于模型自重载荷与南梁煤矿3号煤埋深载荷不一致，因此在覆岩顶部施加均布等效载荷代替，边界条件设置为允许垂直移动，模型底部与左右为非自由端。在只考虑煤柱宽度的影响下，结合南梁煤矿生产地质条件，运用FLAC3D建立计算模型，分析不同窄煤柱尺寸留设情况下围岩的垂直应力分布规律，并根据理论计算分析结果，确定窄煤柱的留设范围为4～7 m，分别进行模拟对比分析，如图2所示。

图2 不同尺寸窄煤柱垂直应力云图Fig.2 Vertical stress nephogram of narrow coal pillar with different sizes

3.2 应力模拟结果分析

沿空掘巷巷道开掘之后，浅部围岩由三向应力转变为二向应力状态，围岩塑性区逐渐向深部发展，影响应力分布和围岩位移规律，进而决定着巷道围岩稳定与否。因此，控制巷道围岩稳定需建立在对围岩应力分布、位移规律和塑性区演化准确分析的基础之上，为优化窄煤柱留设宽度提供可靠依据。

由图2可知，采用不同宽度煤柱沿空掘巷围岩垂直应力分布有显著差异，巷道顶板垂直应力降低较大，巷道上方形成应力驼峰，且顶板锚固区域形成明显的应力叠加拱；靠近实体煤方向存在应力集中区，煤柱内应力存在显著差异，随着煤柱宽度增大，煤柱内弹性稳定区增大，煤柱上方形成明显的应力叠加，4 m宽煤柱的核区应力明显高于其他宽度煤柱的应力，且6 m和7 m宽煤柱上方应力叠加效应较4 m和5 m宽煤柱显著，其不利于煤柱的稳定。综合以上数值分析、理论计算和最小煤炭损失原则，认为南梁煤矿沿空掘巷合理窄煤柱宽度为5 m时，在巷道掘进期间，煤柱内不仅存在弹性稳定区，而且巷道围岩应力叠加效应和变形量也较小，因此南梁最佳窄煤柱宽度应取5 m。

3.3 工程实践

南梁煤矿30100工作面按照5 m窄煤柱宽度掘进期间，巷道变形量在28 d内变形速率较大，围岩受力状态发生改变，围岩在矿山压力作用下产生形变；28～35 d内变形较小，35 d后不再发生明显变化，开始趋于平缓，其值在允许的变形范围内。根据实测数据，如图3所示，锚杆(索)在28 d内受力显著增大，最大分别为14.1 MPa和36.6 MPa；28～35 d内，锚杆(索)压力增加量较小；35 d后锚杆(索)受力不再发生明显变化，表明锚杆对顶板有效的支护。回采期间，各测点顶底板最大移近量平均为70 mm，两帮最大移近量平均为700 mm，工作面机尾超前0～25 m为工作面超前矿压显现区域，主要表现为：工作面超前回采侧巷道局部片帮，最大片帮深度为400 mm，片帮位置主要为巷道中下部。各测点锚杆(索)最大值平均为14.3 MPa和38 MPa，说明超前支护范围内的巷道顶板受超前支承压力影响明显；35 m之后锚杆(索)受力趋于稳定，但超前支护范围以外锚杆受力均大于其初锚力，说明锚杆对超前支护范围内的顶板有较大支护作用。该窄煤柱不但保证其自身稳定，而且巷道围岩变形量较小，有利于巷道稳定。