特厚煤层沿空巷道煤柱留设宽度研究

2023-03-10王志根苏相宾郝鸿儒贾晋才

煤炭与化工 2023年1期

王志根，苏相宾，李玥，郝鸿儒，贾晋才，陈云

（1.山阴金海洋南阳坡煤业有限公司，山西朔州 036999；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

0 引言

近年来，随着我国开采工艺的发展以及综合机械化水平的提升，在特厚煤层沿空巷道留设煤柱，成为厚煤层及特厚煤层开采的重要研究方向[1-2]。受各种不同地质条件的影响，留设煤柱的宽度也不尽相同[3-4]。文献[5]以王家岭煤矿20103区段运输平巷为工程背景，通过FLAC3D数值模拟分析探讨了在不同煤柱宽度下围岩主应力差、变形和破坏的演化规律，提出了合理煤柱宽度范围，并结合实际地质和生产条件要求确定试验巷道最佳煤柱宽度。文献[6]剖析了特厚煤层开采在综放作业面回采后的侧向支承压力分布特点，为沿空掘进巷道合理留设煤柱的宽度提出了理论依据。文献[7-11]通过理论计算、数值模拟、相似模拟及现场试验的方法，研究了沿空掘巷护巷煤柱宽度合理留设及巷道支护技术与参数。所以，确定合理的煤柱宽度以及合理的支护方案，对提高综放沿空巷道围岩稳定性煤炭采出率具有重要意义[12-16]。

本文以南阳坡煤矿6104工作面运输顺槽为工程背景，通过数值模拟方法研究了在不同煤柱宽度下，煤柱的垂直应力和塑性区分布特征，进而提出了合理的留设煤柱宽度以及相应的锚网索联合支护系统，研究其控制机制，并进行现场工业性试验。

1 概况

6104工作面处于6号煤层，第二开采水平，地面标高+1 567.43—+1 613.206 m，采区标高+1 319.13—+1 338.91 m，位于山西省山阴县西北部马营乡山峡村北侧，6104回风平巷掘进时对地面无影响，走向长度1 620 m，倾向长度300 m，面积486 000 m2。工作面布置如图1所示。

图1 61 04工作面位置示意Fig.1 Location of No.6104 Face

6104工作面煤层赋存稳定，厚度在13.2～13.8 m，平均厚度13.5 m，为特厚煤层。煤层倾角2°～4.5°，平均3.3°，属较稳定煤层，平均埋深270 m。

2 煤柱合理宽度数值模拟分析

根据南阳坡煤矿6104工作面生产地质条件，构建了FLAC3D数值模拟模型。模型尺寸为长×宽×高=200 m×110 m×53 m，共分为178 740个单元体、188 910个节点，如图2所示。模拟6号煤层厚度13.5 m，6104工作面沿空巷道为矩形断面，净宽×净高=5 000 mm×3 500 mm；x轴方向为工作面倾向，y轴方向为工作面推进方向，垂直方向为z轴方向；四周和底部均使用固支，上部施加5 MPa的自重载荷，并设定侧压系数为1.2，采用Mohr-Coulomb本构模型，应变模式采用大变形模式。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

围岩塑性区的分布特征是评价和分析巷道围岩稳定性的重要因素，通过FLAC3D研究在不同宽度煤柱下围岩的塑性区分布，以确定合理的煤柱宽度。图3分别为煤柱宽度为5、10、15、20、25、30 m时，围岩的塑性区分布图。

图3 不同煤柱尺寸下围岩塑性区分布Fig.3 Plastic areas distribution of surrounding rock under different sizes of coal columns

煤柱宽度在5～15 m时，巷道底板围岩塑性区分布随煤柱宽度的改变而更加复杂，其塑性区综合作用范围为底板下方5 m左右，煤柱两侧塑性区完全贯通，不存在弹性核区域。

煤柱宽度为20 m时，出现弹性核区，平均为7 m，但煤柱的整体变形不大，且处于稳定状态。

当煤柱宽度在25～30 m时，受采动影响，但煤柱的塑性区范围较小，靠近6106工作面采空区的煤柱整体变形不大，此时煤柱内存在弹性核区域，且宽度较大，在12～20 m，处于稳定状态，但浪费资源现象较严重。

不同煤柱宽度垂直应力分布如图4所示。

图4 不同煤柱宽度垂直应力分布Fig.4 Vertical stress distribution under different widths of coal columns

由图4可知，对6104回风顺槽掘进期间巷道围岩垂直应力分布分析可以看出如下内容。

（1）煤柱宽度对巷道顶底板垂直应力变化没有明显影响，巷道顶底板均处于应力降低区域，其应力状态基本不随煤柱宽度的变化而变化。

（2）在实体煤侧都有应力集聚现象，随着煤柱宽度的增大，煤柱侧应力集中程度增强，而实体煤侧应力集中程度则在下降。

（3）当煤柱宽度为5～15 m时，煤柱上部区域的垂直应力数值无明显变化，中部区域垂直应力集中程度增大，说明煤柱破坏程度在减少，煤柱慢慢趋于稳定，但仍处于破坏状态。

（4）在煤柱宽度为20～30 m时，煤柱中部的应力峰值在不断升高，且集中范围也随之变大，但其峰值都小于靠近顺槽煤柱帮围岩的应力值，煤柱处于稳定状态。采空区附近的垂直应力变动不大。

不同煤柱尺寸垂直应力曲线如图5所示。

图5 不同煤柱尺寸垂直应力曲线Fig.5 Vertical stress curves under different sizes of coal columns

（1）当煤柱宽度为5～15 m时，煤柱内垂直应力呈单峰值抛物线分布状态，峰值中心不在煤柱中心，而是靠近巷道煤柱帮，且随着煤柱尺寸增加，峰值大小随着煤柱尺寸的增大由5 m煤柱的7.68 MPa到15 m煤柱的19.3 MPa。

（2）当煤柱宽度由20 m增至30 m时，垂直应力曲线呈梯形分布，出现双峰值，且随煤柱尺寸变大，右部峰值有所减少，20 m煤柱时峰值19.2 MPa减小至30 m煤柱峰值16.4 MPa。峰值处随煤柱尺寸变化逐渐向采空区移动，且数值由25 m宽度的14.1 MPa降低到30 m宽度的13.8 MPa，降低幅度不大。

3 支护控制及现场观测

根据上述数值模拟分析计算煤柱合理留设宽度为20 m，结合6104工作面回风顺槽情况，采用锚网索联合支护方式控制围岩变形，如图6所示。

顶板锚索使用规格为17.8 mm×8 000 mm的钢绞线锚索，间排距为1 800 mm×2 000 mm。锚杆选用20 mm×2 400 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm。顶板采用8号铁丝菱形金属网，规格为1200 mm×5 400 mm，网格80 mm×80 mm。

实体煤帮与煤柱帮支护相同，选用18 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为1 200 mm×1 000 mm，上部锚杆距顶板550 mm，底部锚杆距底板550 mm。两帮均采用8号铁丝菱形金属网，1 500 mm×5 000 mm，网格80 mm×80 mm。

巷道围岩表面位移观测曲线如图7所示。