正善煤礦沿空掘巷窄煤柱寬度研究

徐向明

（汾西礦業(yè)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采時(shí)引起的應(yīng)力重新分布并趨于穩(wěn)定后沿著采空區(qū)掘進(jìn)一條巷道，它能減小煤炭資源的損失，延長(zhǎng)礦井的生產(chǎn)服務(wù)年限。相比留設(shè)20~30 m煤柱掘進(jìn)的巷道，沿空掘進(jìn)的巷道遭受多次采動(dòng)影響，巷道的支護(hù)較為困難，因此窄煤柱留設(shè)的寬度是沿空掘巷的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。本文以正善煤業(yè)2205回風(fēng)巷為工程背景，采用理論計(jì)算和FLAC3D數(shù)值模擬，研究合理的嚴(yán)空掘進(jìn)窄煤柱留設(shè)寬度，保障煤礦的安全生產(chǎn)。

1 工程地質(zhì)條件

正善煤礦2205工作面布置在2號(hào)煤層中，工作面西鄰已回采的2203工作面，煤層埋深360～460 m，總厚度為1.2 m，屬簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)0.8（0.85）0.3 m煤層穩(wěn)定，預(yù)計(jì)其夾矸厚度變化較大，從0.60～1.50 m。煤種為肥煤、1/3焦煤，穩(wěn)定可采。煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 2205材料巷頂?shù)装鍘r性情況

2 窄煤柱留設(shè)寬度要求

窄煤柱留設(shè)寬度應(yīng)滿足以下要求[4-6]：沿空掘進(jìn)巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，有利于巷道圍巖形變控制，減小巷道變形；窄煤柱側(cè)可有效使用錨桿支護(hù)，保證錨桿能有效錨固在窄煤柱中；窄煤柱高寬比適宜，高寬比過大則窄煤柱易失穩(wěn)，無(wú)法有效支承圍巖壓力而破碎；能有效隔離采空區(qū)，不漏風(fēng)；提高煤炭采出率。

圖1為側(cè)向支承壓力分布與圍巖結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖。由圖1可知，巷道1、巷道2處于圍巖應(yīng)力降低區(qū)，但巷道1過于靠近采空區(qū)而使得煤柱高寬比過大，易破碎失穩(wěn)、無(wú)法有效錨桿支護(hù)，并存在向采空區(qū)漏風(fēng)的問題。巷道3處于應(yīng)力峰值區(qū)，圍巖應(yīng)力大不利于巷道圍巖變形控制，存在巷道支護(hù)成本高、多次返修、影響回采速度等問題。巷道4處于原巖應(yīng)力區(qū)，存在煤柱過大，浪費(fèi)煤炭資源的問題。綜上，巷道2為最佳位置。

圖1 側(cè)向支承壓力分布與圍巖結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

3 窄煤柱寬度計(jì)算

窄煤柱最小護(hù)巷寬度如圖2所示。

圖2 窄煤柱最小護(hù)巷寬度

由極限平衡理論可知，合理的護(hù)巷煤柱寬度B為：

式中：x1為采空區(qū)側(cè)向支承壓力在煤柱淺部造成的屈服區(qū)寬度，，m；x2為錨桿錨入煤柱的深度，取1.9~2.1 m；x3為安全系數(shù)，x3=（0.15~0.35）（x1+x2），m；M為上區(qū)段平巷高度，取巷道中高2.6 m；β為側(cè)壓系數(shù)，通常取值范圍為0.15~0.45，取0.39；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取20°；C0為煤體粘聚力，取1.1 MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，巷道受兩次采動(dòng)影響時(shí)k=2.1；H為巷道埋深，取450 m；γ為沿空掘進(jìn)巷道覆巖的重力密度，取25 kN/m3；P0為上工作面支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)巷道的支護(hù)阻力影響，取0.2MPa；α為煤層傾角，取10°。

經(jīng)計(jì)算x1=2.45 m，柱寬度B=4.595~5.395 m。

4 數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分別模擬窄煤柱寬度4 m、5 m、6 m、7 m時(shí)巷道圍巖受力情況，以研究最適宜的窄煤柱寬度[7-11]。模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布

由圖3可知，當(dāng)窄煤柱寬度為3 m時(shí)，窄煤柱垂直應(yīng)力最小，承載能力最弱，窄煤柱遭到了破壞卸載，煤柱應(yīng)力小于10 MPa，低于原巖應(yīng)力。當(dāng)窄煤柱寬度由3 m增大到6 m時(shí)，窄煤柱垂直應(yīng)力在逐步增大，說(shuō)明窄煤柱承載能力在逐步增大，并超過原巖應(yīng)力，峰值為6 m窄煤柱時(shí)的23 MPa。當(dāng)窄煤柱寬度由3 m增大到6 m時(shí)，實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力峰值區(qū)范圍先減小后增大，5 m煤柱時(shí)實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力峰值區(qū)范圍最小。模擬研究表明：沿空掘巷窄煤柱最佳寬度為5 m，此時(shí)窄煤柱具有一定承載能力，且實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中不明顯，利于巷道圍巖變形控制。

5 工業(yè)試驗(yàn)

5.1 巷內(nèi)支護(hù)

巷內(nèi)支護(hù)選用錨網(wǎng)索加W型鋼帶支護(hù)，巷道為矩形斷面，長(zhǎng)4 200 mm，高2 600 mm；錨索直徑21.6 mm，長(zhǎng)7 200 mm，預(yù)緊力250 kN；頂錨桿為直徑22 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm；幫錨桿為直徑22 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)2400mm，間排距600mm×800mm；幫助加強(qiáng)錨索支護(hù)，直徑21.6 mm，長(zhǎng)4 200 mm，排距2 400 mm。巷內(nèi)支護(hù)具體參數(shù)如圖4所示。

圖4 沿空掘巷巷內(nèi)支護(hù)方案（mm）

5.2 礦壓觀測(cè)

在巷道表面布設(shè)圍巖觀測(cè)站，用“十字絲”法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，成巷后經(jīng)連續(xù)觀測(cè)30 d，巷道表面變形監(jiān)測(cè)情況如5所示。

由圖5可知：沿空掘巷頂板下沉、窄煤柱內(nèi)斂變形遠(yuǎn)大于實(shí)體煤側(cè)內(nèi)斂變形。掘巷第1~4 d，巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，表現(xiàn)為巷道頂板快速下沉、窄煤柱內(nèi)斂速變形快；成巷第5~17 d，巷道礦壓顯現(xiàn)減緩；第17 d后，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。根據(jù)30 d礦壓觀測(cè)，巷道頂板最大下沉量為72 mm，窄煤柱內(nèi)斂68 mm，實(shí)體煤內(nèi)斂28 mm。工程實(shí)踐表明，留設(shè)5 m窄煤柱可有效控制沿空掘進(jìn)巷道的圍巖變形。

圖5 巷道變形與時(shí)間關(guān)系圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文以正善煤礦2205工作面回風(fēng)巷為工程背景，采用理論計(jì)算和FlAC3D數(shù)值模擬，確定了合理的窄煤柱寬度。工業(yè)試驗(yàn)表明，留設(shè)寬度5 m窄煤柱可有效控制沿空掘進(jìn)巷道的圍巖變形，保障了礦井安全生產(chǎn)。該工程實(shí)例對(duì)山西、陜北類似地質(zhì)條件礦井具有一定借鑒意義。