特厚煤層沿空掘巷合理留設小煤柱的試驗研究*

楊艷國，范　楠，潘　軍，高　仙，王婷婷

(1.遼寧工程技術大學 礦業工程學院，遼寧 阜新123000; 2.遼寧省高校重大科技平臺-煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新123000)

0　引言

隨著煤礦開采技術的提高，大型煤礦沿空掘巷技術開始著手實施并推廣，最佳的小煤柱留設尺寸與合理的巷內支護設計不但改善了采場圍巖的狀態而且確保了巷道圍巖的穩定性[1-3]。但是在大傾角特厚煤層綜放開采一次采全高采出厚度很大，沿空掘巷后巷道變形嚴重，引起周圍巖體的連續變形，破壞了圍巖的整體穩定性，制約了礦井安全高效生產。為此，我國的科研學者在特厚煤層綜放開采沿空掘巷合理留設煤柱方面做了大量的研究，取得了諸多研究成果。鄭西貴等教授[4]基于理論分析掘巷及之前的弧形三角塊體力學結構，分析了沿空掘巷煤柱和實體幫的應力演化特征。李磊、柏建彪教授[5]采用理論分析方法，推導出沿空掘巷“內應力場”表達式，進一步確定巷道斷面參數。彭林軍教授[6]提出了沿空掘巷的關鍵是掘巷時間(采場覆巖穩定的時間)和掘巷位置，利用數值軟件建立模型，對沿空掘巷煤柱寬度及巷道位置進行模擬分析。充分考慮巷道頂底板結構特征，合理留設煤柱，輔以可行的支護技術，減少工作面采動對釆場圍巖結構的影響[7-8]。合理的煤柱寬度，可以確保巷道的穩定性以及最大限度提高煤炭回采率。筆者針對龐龐塔煤礦特殊的地質和開采條件，以初步計算小煤柱寬度為基礎，利用FLAC3D數值模擬得出不同留寬煤柱在受采動階段影響下巷道頂底板的應力分布特征和小煤柱側向支承壓力變化情況，確定小煤柱的合理留寬。在龐龐塔煤礦特厚煤層綜采放頂煤一次采全高開采留設小煤柱沿空掘巷技術試驗成功，為同類型礦井解決特厚煤層沿空掘巷留設小煤柱合理寬度提供參考依據。

1　煤層地質及開采條件

龐龐塔煤礦位于山西省呂梁市臨縣木瓜坪鄉龐龐塔村。礦井現開采10#煤層，屬石炭、二疊系下統山西組，煤層埋深600 m。10#煤層平均厚度為11.8 m，煤層傾角為3～19°。煤層中含多層夾矸，夾矸厚度為0.3～0.7 m，夾矸成份主要以炭質泥巖為主，10#煤層結構復雜，屬特厚煤層，主采10#煤層直接頂為深灰色石灰巖，厚度約為16 m；煤層底板為淺黑色砂質泥巖，厚度約為3 m。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1　煤層柱狀圖Fig.1　Seam histogram

特厚煤層107工作面綜放開采后，其覆巖結構、采場頂板冒落范圍、裂隙帶發育程度均較大?；卷敾顒舆^程中對靠近采空區側的煤柱產生持續較長時間的影響。主要表現為107綜放工作面采空區側向支承壓力的峰值點由淺部向深部轉移，影響范圍較大，沿空掘巷兩幫煤體穩定性差，造成巷道維護困難。

針對上述特厚煤層沿空掘巷維護特點，考慮減小煤炭損失量，提高巷道維護和回采率，為此提出合理留設小煤柱并開展相應的工業性試驗。

試驗地點選在龐龐塔煤礦107綜放工作面，運輸巷道與回風巷道埋深為460 m。工作面傾向長200 m走向長1100 m，采用特厚煤層綜放開采一次采全厚，采高3.0 m，放煤厚度8.8 m。綜放面運輸巷道與回風巷道沿煤層底板掘進，其頂部留有2～3 m厚的頂煤，綜放面兩巷道為矩形斷面，巷道斷面積至少15 m2。

2　煤柱寬度的理論計算

如圖2所示，以煤巷兩幫應力分布特征和極限平衡理論為依據[9-10]，結合錨桿支護作用，確定煤柱合理留寬的計算公式為：

B=X1+X2+X3

(1)

(2)

X3=(0.15～0.35)(X1+X2)

(3)

圖2　小煤柱寬度計算模型Fig.2　Calculation model of small coal pillar width

按照極限平衡理論，將表1中參考實測的所需參數值代入式(1)～(3)，計算得：

X1=4.7 m，X3=1～2.3 m

則煤柱合理留寬：B=X1+X2+X3=7.7～9 m

因此，小煤柱留設寬度以7.7～9 m為宜。

3　煤柱合理寬度的數值模擬分析

3.1　數值計算模型及力學參數

根據龐龐塔煤礦10#煤層圍巖物理力學參數及煤層地質特征，建立FLAC3D數值模擬模型，數值模擬的邊界條件為：模型左右邊界為水平位移條件約束，下邊界為垂直位移條件約束，上邊界為自由邊界，上邊界施加均布載荷。模型尺寸：計算模型的尺寸選取為長×寬×高為600 m×500 m×300 m。龐龐塔礦10#煤層圍巖物理力學性質測試結果如表2所示。

表1　計算參數選取

表2　10#煤層圍巖物理力學性質測試結果

3.2　首采面回采的應力分布情況

工作面的采動破壞了最初穩定的圍巖應力場，使圍巖應力場重新分布。工作面頂底板處于卸壓狀態，工作面兩端頭有明顯的應力集中現象，從工作面上端頭一側的應力分布特征圖3可以看出，應力降低區分布在距工作面上端頭的8 m處；應力集中區分布在距工作面上端頭的10～15 m處，垂直應力最大為30 MPa。

圖3　工作面上端頭應力分布云圖Fig.3　Nephogram of stress distribution at the upper end of the working face

煤柱的側向支承壓力可以直觀地反映煤體應力分布特征，有利于確定合理的煤柱留設寬度。由煤柱側向支承壓力分布情況圖4可知，距離采空區9 m以內，煤柱側向支承壓力值低于原巖應力值12.5 MPa，處于應力降低區；距采空區13 m處，煤柱側向支承壓力值達到最大，支承壓力峰值為33 MPa。

圖4　側向支承壓力分布特征Fig.4　Characteristics of lateral abutment pressure distribution

根據煤柱側向支承壓力分布情況曲線圖得出的應力降低區在距離采空區9 m以內，結合上述理論計算得出小煤柱的留寬尺寸為7.7～9 m；綜合考慮提出了煤柱留寬方案為6 ，7，8 ，9 m。通過數值模擬對比不同煤柱留寬方案在掘巷和回采階段的圍巖應力分布情況，確定小煤柱的合理留寬尺寸。

3.3　掘進階段圍巖應力分布情況

巷道掘進期間，各煤柱留寬方案的圍巖應力分布情況以煤柱寬度為6 ，9 m為例，由圖5和圖6可知，當煤柱寬度為6 m時，距離巷道煤體側5～15 m區域為應力集中區，應力峰值區在7～10 m處，最大垂直應力為29.8 MPa；當煤柱寬度為9 m時，距離巷道煤體測5～13 m區域為應力集中區，應力峰值區在7～8 m處，最大垂直應力為31.6 MPa。綜上所述，不同寬度的煤柱，巷道圍巖都處于應力降低區，應力集中區距巷道煤體測得距離為5～15 m，應力集中區內的垂直應力為25～31.6 MPa。

圖5　煤柱寬度6 m的應力分布云圖Fig.5　Pile width of 6 m stress distribution

圖6　煤柱寬度9 m的應力分布云圖Fig.6　Pile width of 9 m stress distribution

為了直觀反映煤柱應力分布區域和應力值的大小，取煤層底板以下3 m沿傾向作1條觀測線，繪制了煤層底板垂直應力分布曲線圖(圖7)。

圖7　煤層底板垂直應力分布曲線Fig.7　Vertical stress distribution curve of coal seam floor

由圖7可知，當煤柱寬度為6 m時，煤柱向底板傳遞的最大垂直應力為3.5 MPa；煤柱寬度在7，8 m時的最大垂直應力分別為4，4.8 MPa；煤柱寬度為9 m時，最大垂直應力為6 MPa。不同寬度的煤柱向煤層底板傳遞的最大應力值均低于原巖應力，處于應力降低區。應力峰值區在距巷道右側7～10 m處且應力峰值為25.5～27 MPa。

綜上所述，巷道掘進時期，煤柱及巷道圍巖均處于應力降低區，應力集中區在距巷道右側5～15 m處且應力峰值區在距巷道右側7～10 m處。僅考慮巷道掘進時期的圍巖應力變化特征缺乏明顯性，因此需要對二次回采時期的圍巖應力狀態進行研究。

3.4　二次回采階段圍巖應力分布情況

二次回采期間，各煤柱留寬方案的圍巖應力分布情況以煤柱寬度為7 ，9 m為例，由圖8和圖9可知，煤柱始終處于應力降低區，二次回采期間不同寬度煤柱均受壓變形，煤柱寬度越大，變形效果越明顯。

圖8　煤柱寬度7 m的應力分布云圖Fig.8　Pile width of 7 m stress distribution

圖9　煤柱寬度9 m的應力分布云圖Fig.9　Pile width of 9 m stress distribution

當煤柱寬度為9 m時，可以看出在煤柱中部1～2 m范圍處出現彈性區域，煤柱可以承受更大的載荷，提高煤柱的承載能力，使煤柱具有更好的穩定性。

1)底板垂直應力分布情況對比

由圖10可知，當煤柱寬度為6 m時，煤柱向底板傳遞的最大垂直應力為2.6 MPa，應力分布曲線呈單峰狀；煤柱寬度在7，8 m時的最大垂直應力分別為2.7，3 MPa；煤柱寬度為9 m時，最大垂直應力為3.5 MPa，此時應力分布曲線波峰近似呈平緩狀態，表明煤柱的承載能力較好。不同寬度的煤柱向底板傳遞的最大應力值均低于原巖應力，采空區一側的煤柱仍處于應力降低區。

圖10　底板垂直應力分布曲線Fig.10　Vertical stress distribution curve of floor

2)煤柱主應力分布情況對比

各煤柱留寬方案的煤柱彈性核區主應力分布情況以煤柱寬度為8，9 m為例，由圖11和圖12可以看出，應力集中區域在煤柱對角線處，這一現象是由10#煤層傾角較大造成煤柱上下受力不在垂向方向而偏向對角線方向。當煤柱寬度為8 m和9 m時，彈性核區最大主應力分別為4.8 MPa和5.5 MPa。煤柱最大主應力仍低于原巖應力，表明巷道圍巖仍處于應力降低區。

圖11　煤柱寬度8 m的主應力分布云圖Fig.11　The distribution of principal stress of coal pillar with width of 8 m

圖12　煤柱寬度9 m的主應力分布云圖Fig.12　The distribution of principal stress of coal pillar with width of 9 m

3.5　煤柱合理留寬方案的確定

以理論計算得出的煤柱留寬尺寸為7.7～9 m為基礎，通過數值模擬對比分析不同寬度的煤柱在掘巷和二次回采期間圍巖應力分布情況，最終確定煤柱合理留寬為9 m。合理煤柱的留設不僅有利于巷道維護，還便于提高回采率。在巷道穩定性方面，需加強對巷道的支護(尤其是靠小煤柱一幫)，進一步通過現場觀測分析巷道表面位移變形量。

4　現場觀測及分析

4.1　沿空掘巷巷道支護設計

對龐龐塔煤礦沿空巷道進行支護方案設計，巷道斷面為矩形，巷道掘寬4.8 m，掘高3.6 m，掘進斷面17.28 m2。107綜放工作面沿空巷道釆用錨桿、錨索聯合支護，頂板錨桿加強支護材料采用Φ22 mm×2 400 mm金屬螺紋鋼錨桿，螺紋長度150 mm。采用樹脂加長錨固，間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿垂直巷道布置；頂板采用10#菱形金屬網護頂，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為5 600 mm×1 100 mm；錨索材料為Φ21.8 mm鋼絞線，長度6 300 mm，錨索布置在兩排錨桿間頂板中部，間排距為1 200 mm×1 600 mm。

兩幫錨桿支護材料采用Φ22 mm×2 400 mm金屬螺紋鋼錨桿，采用樹脂端部錨固，間排距為1 000 mm×1 000 mm，底角錨桿可與水平線成45°夾角外，其他錨桿均垂直巷道布置。兩幫采用10#菱形金屬網護幫，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格為3 500 mm×1 100 mm。

4.2　巷道圍巖監測內容及方法

試驗地點選在107綜放工作面，在工作面巷道內安設4個測站，分別在正巷布置2個測站，副巷布置2個測站，每個測站間距保持25 m。1#，3#測站與2#，4#測站位置及與工作面的距離關系如圖13所示。

圖13　測站與工作面位置Fig.13　Location diagram of station and work face

每個測站包括兩幫位移監測和巷道高度監測，區段煤柱合理寬度按9 m留設，采用十字布點法[11-12]安設巷道表面位移監測站如圖14所示。

圖14　巷道表面位移監測站Fig.14　Roadway surface displacement monitoring station

在頂底板和兩幫中部打入長400 mm的木樁并在木樁端頭安設相應的測釘。利用鋼卷尺測讀AB，CD值。測量頻率為在距工作面45 m以內，每天觀測一次。

4.3　巷道表面位移觀測分析

由圖15可知，1#，3#測站距回采工作面越近，兩幫變形量和頂底板變形量越大，在距回采工作面16 m處，1#測站監測到兩幫位移變形量的穩定值為105 mm，頂底板最大位移變形量為220 mm；3#測站監測的兩幫變形量較穩定，距回采工作面15～21 m，最終兩幫位移變形量為55 mm；距回采工作面15～23 m，巷道頂底板變形量穩定在141 mm。

2#測站監測的兩幫位移變形量較小，距回采工作面15～20 m，兩幫最大位移變形量為60 mm；頂底板變形量較大，在距回采工作面15～20 m時達到最大并趨于穩定，頂底板最大變形量為320 mm；4#測站監測的兩幫位移變形量和頂底板變形量都較小，均在距回采工作面15～30 m，兩幫最大位移變形量為55 mm，頂底板最大變形量為88 mm。

圖15　正、副巷測站巷道表面位移曲線Fig.15　Surface displacement curve of tunnel at station 1#，3#

1#，2#和3#，4#測站位于兩巷超前同距離，對比分析可知，1#測站與2#測站監測的頂底板變形量較大，均在距回采工作面15～20 m，達到最大位移變形量并逐漸趨于穩定；兩幫變形量較頂底板變形量明顯減小，在距回采工作面20 m，均達到最大變形量。3#，4#測站監測的頂底板變形量在距回采工作面20 m，達到最大位移變形量，隨后逐漸趨于穩定；在整個回采過程中，3#，4#測站所反映的兩幫位移曲線基本重合，且兩幫變形量較小。

從現場監測結果可以看出，按9 m留設小煤柱，巷道兩幫及頂底板變形量較小，均符合生產要求，巷道圍巖穩定，小煤柱留寬合理。

5　結論

1)分析礦井煤層地質條件、開采條件及煤柱與巷道圍巖的結構關系，確定了特厚煤層綜放開采留設小煤柱是可行的，并通過理論計算得出小煤柱留寬為7.7～9 m。

2)通過數值模擬對比不同煤柱的留寬方案在掘進巷道期間和二次回采期間的圍巖應力分布情況，確定小煤柱的合理留寬為9 m，其中存在一定范圍的彈性區域，煤柱承載能力優于其他方案。

3)特厚煤層小煤柱沿空巷道在錨桿、錨索聯合支護下，有效控制了沿空巷道圍巖變形，現場實測煤柱寬度為9 m時的巷道兩幫及頂底板變形量均較小，巷道圍巖穩定，支護效果較好，滿足實際生產要求。

[1]柏建彪, 侯朝炯, 黃漢富. 沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2004, 23(20):3475-3479.

BAI Jianbiao, HOU Chaojiong, HUANG Hanfu. Numerical simulation study on stability of narrow coal pillar of roadway driving along goaf[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(20):3475-3479.

[2]畢俊剛. 綜放沿空留巷圍巖及充填體穩定性研究[D]. 太原：太原理工大學, 2014.

[3]雙海清. 綜放沿空掘巷圍巖穩定性分析與控制技術研究[D].西安：西安科技大學, 2015.

[4]鄭西貴, 姚志剛, 張農. 掘采全過程沿空掘巷小煤柱應力分布研究[J]. 采礦與安全工程學報, 2012, 29(4):459-465.

ZHENG Xigui, YAO Zhigang, ZHANG Nong. Stress distribution of coal pillar with gob-side entry driving in the process of excavation & mining[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2012, 29(4):459-465.

[5]李磊, 柏建彪, 王襄禹. 綜放沿空掘巷合理位置及控制技術[J]. 煤炭學報, 2012, 37(9):1564-1569.

LI Lei, BAI Jianbiao, WANG Xiangyu. Rational position and control technique of roadway driving along next goaf in fully mechanized top coal caving face[J]. Journal of China Coal Society, 2012, 37(9):1564-1569.

[6]彭林軍, 張東峰, 郭志飚,等. 特厚煤層小煤柱沿空掘巷數值分析及應用[J]. 巖土力學, 2013(12):3609-3632.

PENG Linjun, ZHANG Dongfeng, GUO Zhibiao,et al. Numerical analysis of thick coal seam small pillar along gob roadway and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013(12):3609-3632.

[7]謝廣祥, 王磊. 綜放工作面煤層及圍巖破壞特征的采厚效應[J]. 煤炭學報, 2010, 35(2):177-181.

XIE Guangxiang,WANG Lei. Thickness effects of fracture characteristics of coal seam and surroundingrocks in fully mechanized top-coal caving face[J]. Journal of China Coal Society, 2010, 35(2):177-181.

[8]孔德中, 王兆會, 王顏亮, 等. 大采高綜放面傾向支承壓力分布的采厚效應[J]. 煤炭工程, 2014, 46(10):165-168.

KONG Dezhong,WANG Zhaohui,WANG Yanliang, et al. Mining thickness effect of inclined support pressure distribution in high cutting fully mechanized top coal caving mining face[J]. Coal Engineering, 2014, 46(10):165-168.

[9]高玉峰, 王迪, 張飛. 三維土質邊坡穩定性分析方法研究現狀與展望[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2015, 43(5):456-464.

GAO Yufeng,WANG Di, ZHANG Fei. Current research and prospects of 3D earth slope stability analysis methods[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences) , 2015, 43(5):456-464.

[10]王文淵. 深井綜放開采區段煤柱合理寬度研究[D]. 太原：太原理工大學, 2014.

[11]崔妮, 關詠梅, 郭濤,等. 基于ZigBee的采煤機監測系統的設計[J]. 自動化與儀表, 2015, 30(7):29-32.

CUI Ni,GUAN Yongmei,GUO Tao, et al. Design of monitoring system for coal shearer based on ZigBee[J]. Automation & Instrumentation, 2015, 30(7):29-32.

[12]李學哲, 張有東, 封孝輝, 等. 基于ZigBee技術的巷道表面位移檢測傳感器設計[J]. 電子技術應用, 2013, 39(12):96-98.

LI Xuezhe, ZHANG Youdong, FENG Xiaohui, et al. The design of surface displacement sensor of mine tunnel based on ZigBee wireless network[J]. Application of Electronic Technique, 2013, 39(12):96-98.