大采高工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸研究

武海平

（晉中市煤炭規劃設計研究院,山西 晉中 030600)

1672-5050（2017)05-0032-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.008

2017-08-02

武海平（1964-),男,山西壽陽人,本科,工程師,從事井工煤礦采礦專業設計工作。

大采高工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸研究

武海平

（晉中市煤炭規劃設計研究院,山西 晉中 030600)

以某礦3046工作面留設區段窄煤柱為工程背景,采用極限平衡理論、數值模擬、工程實踐三種方法分析沿空掘巷窄煤柱合理尺寸。通過極限平衡理論計算得到沿空掘巷窄煤柱寬度為4.83 m～5.64 m。通過FLAC3D分析不同煤柱寬度情況下煤柱應力分布和巷道圍巖位移分布規律,綜合考慮煤柱垂直應力和圍巖應力模擬結果得到沿空掘巷窄煤柱寬度為5 m～6 m。通過現場試驗,表明該煤礦柱在錨梁網+錨索聯合支護情況下,頂底板移近量為60 mm、兩幫移近量為65 mm,合理煤柱寬度為5 m左右。

沿空掘巷;窄煤柱;煤柱寬度;數值模擬

沿空掘巷屬于回采巷道布置的一種方式[1],可節約煤炭資源。近年來國內外專家學者對沿空掘巷窄煤柱留設進行深入研究[2-3]。柏建彪等[4]通過數值模擬研究了沿空掘巷窄煤柱的穩定性,張科學[5]對“雙U”回采巷道布置中的大煤柱內沿空掘巷窄煤柱留設進行了研究。李學華[6]對沿空掘巷煤柱穩定性因素進行了分析。筆者以某礦3406大采高工作面為工程背景,通過理論分析、數值模擬、工程實踐研究沿空掘巷窄煤柱合理尺寸。

1 工程地質概況

某礦3046大采高工作面埋深約200 m,煤層厚度為4.6 m～5.3 m,平均煤厚為5 m。煤層傾角為3°～6°,平均傾角為4.5°。5#煤頂板自下而上依次為泥巖、砂質泥巖、泥巖、細砂巖、粉砂巖,底板以泥巖、砂質泥巖、細砂巖為主。

2 煤柱理論分析

沿空掘巷窄煤柱寬度B計算示意圖見圖1,計算公式為:

B=X1+X2+X3.

（1)

（2)

X3=（0.15～0.35)（X1+X2).

（3)

式中:B為小煤柱寬度,m;X1為上區段工作面塑性區寬度,m;X2為幫錨桿有效長度,取2.2 m;X3為因煤層厚度較大需增大的煤柱穩定性系數;m為煤層采厚,5 m;A為側壓系數,取0.25;φ0為煤體內摩擦角,20°;k為應力集中系數,取2;C0為煤體內聚力,取1.5 MPa;γ為上覆巖層平均容重,取25 kN/m3;P0為錨桿對巷幫的支護阻力,0.3 MPa。

根據三元煤業實際參數帶入上述公式,計算得到三元煤業沿空掘巷煤柱寬度為4.83 m～5.64 m。

3 數值模擬

3.1模型的建立

該模擬3號煤層埋深為200 m左右,3046工作面回風巷道中心線為Y方向,取200 m;傾向為X方向,取150 m。模型水平和垂直方向限制,固定底部,上浮巖層均勻加載豎向載荷5 MPa,工作面采空區自行垮落。其巖石力學參數如表1所示。

表1 煤層頂底板巖石力學參數表

3.2數值模擬結果及分析

回采時煤柱寬度在3 m、4 m、5 m、6 m、7 m五種情況下,煤柱最大垂直應力分別為32 MPa、18 MPa、16 MPa、18 MPa、24 MPa。當煤柱寬度為5 m時,煤柱其他位置垂直應力在8 MPa左右,應力值較小;留設其他煤柱寬度時,其他區域應力偏大。

從留設不同煤柱寬度情況下煤柱的垂直應力可知,從煤柱側向應力曲線最大垂直應力先增大后減小再增大經驗規律可知,留設1 m～3 m煤柱時,煤柱最大垂直應力在增大,留設4 m～6 m時煤柱最大垂直應力先增大后減小,留設6 m～7 m煤柱時煤柱垂直應力增大,說明煤柱增大到5 m左右時,煤柱最大垂直應力處于最小值。

不同煤柱寬度下巷道圍巖位移分布圖,見圖1。

圖1 不同煤柱寬度下巷道圍巖位移分布圖Fig.1 Displacement distributions of surrounding rocks at different width of coal pillars

由圖1可知,留設3 m、4 m、5 m、6 m、7 m煤柱時,頂板下沉量分別為330 mm、360 mm、200 mm、195 mm、190 mm;回風巷道外幫最大水平位移分別為500 mm、500 mm、350 mm、350 mm、450 mm。

從回采時不同留設煤柱寬度的煤柱的垂直應力、巷道圍巖位移模擬圖分析來看,留設3m、4 m煤柱時,垂直應力較大,垂直位移和水平位移較大;留設5 m、6 m垂直應力較小,巷道變形量較小;留設7 m煤柱垂直應力較大,水平位移較大。綜上所述留設窄煤柱在5 m～6 m,考慮到增大煤炭回采率,留設窄煤柱寬度為5 m。

4 現場實測

現場支護方案:

1) 頂板支護：①左旋無縱筋螺紋鋼筋參數：Φ22 mm×2 200 mm，間排距900 mm×1 000 mm，頂板幫角處錨桿與垂直方向呈10°。②鋼筋托梁：Φ14 mm，長4 700 mm，寬90 mm，間距100 mm。③錨索：Φ=28 mm，L=5 000 mm，間排距2 000 mm×2 000 mm，距兩幫各1 500 mm。

2) 兩幫支護:左旋無縱筋螺紋鋼筋參數:Φ22 mm×2 200 mm,間排距1 000 mm×1 000 mm,靠近頂板、底板的錨桿與水平方向呈10°。②鋼筋托梁：Φ14 mm，長3 300 mm，寬90 mm。

支護后回風巷道圍巖變形圖,見圖2。

回風巷道在掘進10 d～20 d后變形加速,30 d后巷道變形趨于穩定,50 d后巷道變形速度僅為0.4 mm/d。說明在采用留設5 m小煤柱在錨梁網+錨索聯合支護下,巷道變形量得到有效控制。

2-a 回風巷道頂底部位移量

2-b 回風巷道頂底板相對位移速度

2-c 回風巷道兩幫位移量圖2 回風巷道圍巖變形圖Fig.2 Surrounding rock deformation in air-return roadway

5 結束語

根據極限平衡理論、數值模擬、工程實踐方法綜合確定該礦沿空掘巷窄煤柱留設為5 m,在錨梁網+錨索聯合支護下,留設5 m煤柱穩定性好,巷道變形量得到有效控制。

[1] 杜計平,孟憲銳.采礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009.

[2] 賈雙春,王家臣,朱建明,等.厚煤層窄煤柱沿空掘巷中煤柱極限核區計算[J].中國礦業,2011,20（12):81-84,102.

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[3] 祁方坤,周躍進,曹正正,等.綜放沿空掘巷護巷窄煤柱留設寬度優化設計研究[J].采礦與安全工程學報,2016,33（3):475-480.

QI Fangkun,ZHOU Yuejin,CAO Zhengzheng,etal.Width Optimization of Narrow Coal Pillar of Roadway Driving along Goaf in Fully Mechanized Top Coal Caving Face[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33（3):475-480.

[4] 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.

[5] 張科學,姜耀東,張正斌,等.大煤柱內沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定[J].采礦與安全工程學報,2014,31（2):255-262,269.

ZHANG Kexue,JIANG Yaodong,ZHANG Zhengbin,etal.Determining the Reasonable Width of Narrow Pillar of Roadway in Gob Entry Driving in the Large Pillar[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2014,31（2):255-262,269.

[6] 李學華,鞠明和,賈尚昆,等.沿空掘巷窄煤柱穩定性影響因素及工程應用研究[J].采礦與安全工程學報,2016,33（5):761-769.

LI Xuehua,JU Minghe,JIA Shangkun,etal.Study of Influential Factors on the Stability of Narrow Coal Pillar in Gob-side Entry Driving and its Engineering Application[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33（5):761-769.

ReasonableSizeofNarrowCoalPillarsinGob-sideEntryDrivinginLarge-mining-heightWorkingFace

WUHaiping

（JinzhongCoalInstituteofPlanning&Design,Jinzhong030600,China)

Taking narrow coal pillars in 3406 working face as engineering background, limit equilibrium theories, numerical simulation, and engineering practice are used to study the reasonable size of the narrow pillars. According to the limit equilibrium theory, the width of the coal pillars ranges from 4.83m to 5.64m. Stress distribution of the pillars and displacement distribution of the surrounding rocks are studied by FLAC3Dat the different width. Considering the simulation results of the vertical stress of the pillars and the stress of the surrounding rocks, the width of the pillars ranges from 5 to 6m. However, the engineering practice shows that, under the combined support of roof bolting with bar and wire mesh and anchor cables, the reasonable size of coal pillars is around 5 m, with 60mm roof-floor deformation and 65mm two-side deformation.

gob-side entry driving; narrow coal pillars; width of coal pillar; numerical simulation

TD822.3

A

（編輯:楊 鵬)