沿空掘巷合理窄煤柱確定及相似模擬研究*

張紅星,劉 鎬 ，高清平，黃棟梁，張啟松，張東洋

(六盤水師范學(xué)院， 貴州 六盤水市 553004)

沿空掘巷合理窄煤柱確定及相似模擬研究*

張紅星,劉 鎬 ，高清平，黃棟梁，張啟松，張東洋

(六盤水師范學(xué)院， 貴州 六盤水市 553004)

為提高煤與瓦斯突出煤層的快速掘進(jìn)及巷道穩(wěn)定性，以盛遠(yuǎn)煤礦為例，通過(guò)巷道周邊圍巖應(yīng)力分析、二維相似物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)，確定了沿空掘巷窄煤柱合理寬度。結(jié)果表明：窄煤柱留設(shè)寬度為5.0 m，具有一定的承載能力，巷道圍巖變形量較小，能大大提高巷道的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了煤炭資源損失，實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。

沿空掘巷；相似模擬；窄煤柱；煤柱寬度

0 引 言

煤與瓦斯突出危險(xiǎn)已嚴(yán)重影響了工作面掘進(jìn)安全和速度。大量現(xiàn)場(chǎng)研究表明：采空區(qū)側(cè)范圍煤體存在一定的卸壓消突區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)實(shí)施沿空掘巷，不僅能提高煤巷穩(wěn)定性，同時(shí)能消除突出危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。

然而，沿空掘巷的關(guān)鍵是確定窄煤柱的合理寬度，不同礦井煤巖賦存條件其煤柱寬度留舍存在明顯差異，不能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷。本文結(jié)合理論分析，通過(guò)二維相似物理模擬研究窄煤柱合理寬度，確保突出煤層沿空掘巷順利實(shí)施。

1窄煤柱寬度理論分析

沿空掘巷應(yīng)力分布曲線如圖1所示。采空區(qū)側(cè)煤體經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的卸壓，瓦斯含量逐步降低，若殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa，就相當(dāng)于在無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)的速度和安全性將得到大大提高，能保證礦井安全生產(chǎn)。合理的留設(shè)煤柱寬度有利于改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高窄煤柱、實(shí)體煤幫的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)煤巷在卸壓消突區(qū)內(nèi)安全掘進(jìn)。

合理窄煤柱寬度應(yīng)滿足：

w≤d-b-c

(1)

式中：d——卸壓消突區(qū)；根據(jù)《煤與瓦斯突出規(guī)定》，結(jié)合礦井實(shí)際，取d=15 m;

c——防突安全距；根據(jù)《煤與瓦斯抽采基本指標(biāo)》，取c=5 m；

b——煤巷寬度；結(jié)合礦井實(shí)際，取b=4 m；

w——窄煤柱寬度。

將上述指標(biāo)代入式(1)，可得沿空掘巷合理窄煤柱范圍：

w6 m

圖1 采空區(qū)側(cè)周邊圍巖應(yīng)力分布

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

盛遠(yuǎn)煤礦采用平硐+斜井開拓，單水平上下山開采，開采方式為走向長(zhǎng)壁后退式，采用綜合機(jī)械化采煤，全部垮落法管理頂板，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a，服務(wù)年限79 a。

41113工作面主要開采上二迭龍?zhí)睹航M11#煤層，俗稱大栓碳，黑色或褐黑色，塊狀或粉狀，線理至細(xì)條帶結(jié)構(gòu)，斷口不平整，為半亮型煤。根據(jù)41113工作面實(shí)際揭露資料分析，該區(qū)域內(nèi)煤層厚度較穩(wěn)定，其厚度一般在2.8 m左右，傾角8°～10°，含3～4層夾矸，瓦斯含量為15.78 m3/t，為煤與瓦斯突出煤層。

相似模擬實(shí)驗(yàn)分別選取2，3，4，5，6 m 共計(jì)5種窄煤柱寬度模擬方案進(jìn)行對(duì)比分析，研究窄煤柱留設(shè)穩(wěn)定性。模型規(guī)格：長(zhǎng)×寬×高 = 4.0 m ×0.3 m ×1.8 m。幾何相似比 1/100 ，強(qiáng)度相似比為1/150，模型鋪設(shè)的巖層材料配比如表1所示，鋪設(shè)模型如圖2所示。鋪設(shè)過(guò)程中埋設(shè)壓力傳感器，分別布置在煤層底板和煤層中。為觀測(cè)模型在回采過(guò)程中的上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況，在模型中布置6條位移監(jiān)測(cè)線，每條監(jiān)測(cè)線安設(shè)9個(gè)位移點(diǎn)，采用TS3890型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量處理儀進(jìn)行采集和記錄。

表1 巖層材料配比

圖2 鋪設(shè)模型全景

盛遠(yuǎn)煤礦41113工作面日進(jìn)刀數(shù)設(shè)計(jì)為7刀，采煤機(jī)截深0.6 m，則每天推進(jìn)4.2 m，即模擬時(shí)耗時(shí)144 min約割7刀，即模型中回采工作面每21 min回采一次，進(jìn)一刀推進(jìn)0.6 cm，按此速度開挖模型并持續(xù)向左推進(jìn)。當(dāng)工作面推進(jìn)80 cm時(shí)，直接頂出現(xiàn)冒落，老頂出現(xiàn)大量裂隙，繼續(xù)推進(jìn)到145 cm時(shí)，老頂出現(xiàn)斷裂，并周期下沉，待上一個(gè)工作面采空區(qū)形成后，放置1 d，直到上覆巖層穩(wěn)定后，沿采空區(qū)實(shí)施沿空掘巷。不同煤柱寬度模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3 煤柱寬度2 m模擬實(shí)驗(yàn)

圖4 煤柱寬度3 m模擬實(shí)驗(yàn)

圖5 煤柱寬度4 m模擬實(shí)驗(yàn)

圖6 煤柱寬度5 m模擬實(shí)驗(yàn)

圖7 煤柱寬度6 m模擬實(shí)驗(yàn)

由圖3～圖7可知，隨著煤柱寬度增加，煤柱承受的最大應(yīng)力隨之增大。當(dāng)煤柱寬度為2～3 m時(shí)，受上覆巖層集中應(yīng)力影響，煤柱片幫嚴(yán)重且出現(xiàn)離層，表明煤柱產(chǎn)生塑性破壞，已喪失承載能力，巷道穩(wěn)定性差。當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)，其承載能力和穩(wěn)定性均所提高，表明煤柱內(nèi)存在彈性區(qū)。當(dāng)煤柱寬度為5～6 m時(shí)，巷道周邊圍巖基本無(wú)裂隙發(fā)育，煤柱承載能力進(jìn)一步提升。

綜上所述，結(jié)合理論分析與物理相似模擬試驗(yàn)，確定沿空掘巷窄煤柱的合理留設(shè)寬度為5 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)考察

盛遠(yuǎn)煤礦41113工作面進(jìn)實(shí)施了留5 m煤柱沿空掘巷，采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道斷面的位移，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，掘進(jìn)1～6 d內(nèi)，巷道圍巖變形較為劇烈，巷幫平均移近速度 6.9 mm/d，最大移近量達(dá)到 160 mm，頂板平均下沉速率為9.1 mm/d，最大移近量達(dá)到37 mm，頂板整體離層量4.5 mm。6 d后，其變形趨于平緩。在掘進(jìn)過(guò)程中，頂?shù)装遄冃瘟恳h(yuǎn)遠(yuǎn)小于巷道兩幫，但煤柱穩(wěn)定性較好。表明：當(dāng)煤柱寬度為5.0 m時(shí)，巷道圍巖變形量在安全范圍內(nèi)，窄煤柱整體較好且穩(wěn)定。

圖8 巷道周邊圍巖變形曲線

4 總 結(jié)

通過(guò)應(yīng)力分析、二維相似物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)，確定了沿空掘巷窄煤柱合理寬度。窄煤柱留設(shè)寬度為5.0 m，具有一定的承載能力，巷道圍巖變形量較小，能大大提高巷道的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了煤炭資源損失，實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。

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國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目(201510977010)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字LKLS[2013]03號(hào));貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(黔教合KY字[2014]283號(hào)).

2017-06-10)

張紅星(1993-)，男，河南人，技術(shù)員，從事煤礦開采技術(shù)方面工作， Email：907529196@qq.com。