特厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

汪占领 孟宪志

(1. 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2. 煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013)



★ 煤炭科技·开拓与开采 ★

特厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

汪占领1,2孟宪志1,2

(1. 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013；2. 煤炭科学研究总院开采研究分院，北京市朝阳区，100013)

为确定柳巷煤矿综采工作面的合理煤柱尺寸，采用数值模拟的方法，研究工作面回采过程中超前支承压力的分布规律和影响范围，并结合理论计算结果，从而确定合理的煤柱尺寸为10 m。通过采用高预应力锚杆支护技术，改善了锚杆的主动支护能力，有效保证了煤柱稳定和巷道安全，提高了煤炭资源回收率。

煤柱宽度 沿空掘巷 特厚煤层 极限平衡理论 预应力 锚杆支护

合理的区段煤柱不仅可以大大提高煤炭资源的回收率，也能保证回采巷道围岩的稳定性。对于双巷同时掘进的运输巷和轨道巷之间一般留设20～40 m的煤柱，回采工作面掘进的巷道与回采工作面之间的煤柱一般为10～20 m，沿空掘巷情况下煤柱一般为3～10 m。

柳巷煤矿是榆林地区新建的大型现代化矿井，设计生产能力1.20 Mt/a，所采的三号煤层平均厚度11.05 m。两工作面间两巷道中心间距先期设计为25 m，煤炭资源回采率大大降低。本文针对柳巷煤矿特厚煤层工作面开采条件和开采顺序，对煤柱受力状况进行分析，进而找到科学合理的煤柱尺寸。

1 矿井地质条件

柳巷煤矿主采3号煤层，煤层厚度为10.20～11.65 m，平均厚度为11.05 m，单轴抗压强度为27.7 MPa。煤层埋深209～321 m。煤层结构简单，个别含1层夹矸。夹矸厚0.05～0.08 m，岩性为泥岩。煤层直接顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主，次为泥质粉砂岩、粉砂岩；底板以泥岩、粉砂质泥岩为主，泥质粉砂岩为次，个别细粒砂岩。采用综采放顶煤开采，工作面采高3.8 m，工作面宽度155 m，工作面长度1600 m，原岩应力约为6.0 MPa。工作面巷道沿煤层底板布置，矩形断面，尺寸为4.2 m×3.5 m，掘进断面面积为14.7 m2。30103工作面回风巷沿30101回采工作面掘进，区段煤柱宽度为20 m，工作面平面位置关系如图1所示。30103工作面侧帮没有支护，加上受30101工作面的采动影响，巷道片帮严重，片帮情况如图2所示。为了保证巷道稳定，并提高煤炭资源回收率，决定采用双翼开采，在30105工作面采用沿空掘巷技术。

图1 柳巷煤矿30103工作面平面布置图

图2 30103工作面回风巷破坏情况

2 数值模拟分析

采用FLAC3D软件进行模拟，建模过程中严格按照柳巷煤矿现场实际工程地质状况，坐标系采用直角坐标系，XOY平面取为水平面，Z轴取铅直方向，并且规定向上为正。取30103工作面回风巷底板中心为坐标原点，水平向右为X轴正方向，X方向长度为170 m，工作面一侧取70 m长；沿巷道方向垂直向内为Y轴正方向，Y方向长度为20 m；垂直向上为Z轴正方向，重力方向沿Z轴负方向，Z方向高度为59 m。三维模型的边界条件为：四周采用铰接支护，底部采用固定支护，上部为自由边界。模型共划分172250个单元，183924个节点，各岩层力学参数如表1所示，模型如图1所示。根据现场巷道的变形情况和监测的数据，分别模拟煤柱宽度为8 m、10 m、12 m和15 m情况下，工作面回采阶段巷道围岩及煤柱内部应力和塑性破坏区分布情况。

图3 数值模拟模型况

岩性密度/kg·m-3体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)泥岩24202.51.701.20.7641砂质泥岩24802.912.721.351.0640碳质泥岩24502.72.001.299.6041煤14303.731.250.4039.7中粒砂岩25804.153.392.61.4043粉砂岩265075.3333.241

2.1 煤柱内应力分布状态

当工作面回采后，煤柱内部出现了明显的应力集中，不同煤柱宽度的应力集中程度差异很大。煤柱宽度为8 m时，最大垂直应力为26.0 MPa；煤柱宽度为10 m时，最大垂直应力为25.5 MPa；煤柱宽度为12 m时，最大垂直应力为25.3 MPa；煤柱宽度为15 m时，最大垂直应力为25.2 MPa。

由以上数据可知，当煤柱宽度由8 m增加到10 m时，煤柱内部应力集中有明显的减少；煤柱宽度由10 m增加到15 m时，煤柱内部应力集中减少幅度较小。不同煤柱条件下，反映出煤柱应力的集中程度不同，煤柱在10 m以下时，煤柱内部的应力比较高，煤柱受到垂直应力的作用比较大；当煤柱在10 m以上时，煤柱受到垂直应力的作用虽有小幅增加，但增加的幅度很小，表明10 m以上煤柱受到垂直应力作用基本趋于一致，再增加煤柱尺寸对维护煤柱的稳定效果不再明显。

2.2 煤柱的破坏特征

不同煤柱塑性破坏区分布如图2所示。由图2可知，随着工作面回采，煤柱和巷道围岩的塑性区范围逐渐扩大，两个工作面底板内的塑性区连成一体，且不同煤柱宽度在对巷道围岩破坏范围有一定影响。总体来看，煤柱宽度越小，巷道周围和煤柱底板岩层的塑性区范围越大；当煤柱宽度为8 m时，煤柱内的塑性区连接在一起，即煤柱裂隙贯通，不利于煤柱的稳定；当煤柱宽度大于10 m到15 m时，煤柱内部存在非塑性区范围，有利于煤柱的稳定和采空区的防漏风。根据模拟工作面回采过程中煤柱内应力分布和煤柱破坏情况，当煤柱宽度大于10 m时，煤柱可以满足矿井生产需要。

图4 不同宽度煤柱塑性破坏区分布

3 理论分析

3.1 煤柱极限强度

煤柱极限强度本质上是指煤柱长期受垂直载荷作用下峰值应力点所能达到的极限应力，它不仅与实验室煤岩试样的单轴抗压强度有关，而且与煤壁所获得的沿水平方向的约束力有关。本文采用下式来计算煤柱的极限强度σymax:

σymax=KγH=2.729(ησc)0.729

(1)

式中：K——应力集中系数；

γ——覆岩平均容重，MN/m3；

H——平均开采深度，m；

η——煤柱流变系数；

σc——煤岩试块的单轴抗压强度，MPa。

根据柳巷煤矿煤层赋存特点，煤柱流变系数η取0.4，根据柳巷煤矿井筒检查孔报告可得3号煤层单轴抗压强度(饱水)为19.2 MPa。由此可知，柳巷煤矿煤柱的极限强度为12.06 MPa。

柳巷煤矿巷道埋深240 m左右，原岩应力大约6.0 MPa。

3.2 煤柱宽度计算

按照煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论，合理煤柱宽度计算示意图如图3所示。最小护巷煤柱宽度计算公式为：

B=x1+x2+x3

(2)

式中：B——区段煤柱宽度，m；

x1——煤柱在采空区一侧的塑性区宽度，m；

x2——核区宽度，m；

x3——煤柱在巷道一侧的塑性区宽度，m。

图5 合理煤柱宽度计算示意图

其中，x1参考综采工作面在采空区一侧的塑性区宽度计算公式计算：

(3)

式中：m——煤层厚度，m；

d——开采扰动因子，取1.5～3.0；

C——粘聚力，MPa；

σx——煤壁的侧向约束应力，MPa；

φ——内摩擦角，(°)；

σ1——煤柱极限强度，MPa；

β——塑性区与核区界面处的侧压系数。

根据柳巷煤矿3号煤层的赋存特点及井筒检查孔报告中煤岩体物理力学性质和强度指标测试结果，区段煤柱塑性区宽度计算所需各参数的选取见表2，考虑到煤柱受两次采动影响，现取x3=x1，核区宽度x2取煤柱高度m，将表中各参数值代入式(3)，计算得区段煤柱宽度B=12.34 m。

表2 计算参数选取表

考虑到采空区积水较多，按《矿井水文地质规程》中建议的留设隔离煤柱宽度的计算方法从防水煤柱的角度进行分析计算：

(4)

其中:L——煤柱宽度，m；

k——安全系数，一般取2～5；

M——巷道高度，m；

p——水头压力，MPa；

KP——煤的抗拉强度，MPa。

目前国内各矿采用的煤的抗拉强度大多在0.2～1.4MPa之间。

采空区水压为:

p1=γ1H1

(5)

式中：p1——采空区水区，kPa；

γ1——水的容重，kN/m3；

H1——水头高度，m。

水头高度根据下式计算：

(6)

式中：m——累计采厚，m；

n——煤层分层厚度，m；

Hf——裂隙带高度，m。

将m=11.05 m，n=3.8 m代入式(6)，计算得导水裂隙带高度为110 m。重力加速度g取10 m/s2，得到采空区水压为1.1 MPa。安全系数k取2.5，巷道高度M为3.5 m，煤的抗拉强度取0.44 MPa，代入式(4)计算得，所需煤柱宽度L为11.98 m。

考虑到采空区积水要及时抽排，并且要加强煤柱两侧巷帮支护，结合数值模拟分析结果，合理煤柱尺寸为10 m。

4 巷道支护方案及效果

4.1 支护方案

优化后的宽为10 m的煤柱掘进30105工作面回风巷支护方案为：锚杆采用ø20-M22-2400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配合10#铁丝编织的菱形金属网和450 mm×280 mm×4 mm的W型钢护板，锚固长度1.3 m。锚杆排距1 m，顶板每排4根，间距1.2 m，帮锚杆每排每帮4根，间距1 m。锚杆预紧扭矩不低于400 N·m。锚杆支护布置方案如图4所示。

锚索采用直径为17.8 mm的高强度低松弛预应力钢绞线，长度为5.3 m，锚固长度为1750 mm。每排布置一根锚索，排距2 m。配合300 mm×300 mm×14 mm高强锚索托板，锚索预紧力达到150 kN。

图6 锚杆支护布置图

4.2 支护效果

巷道表面位移监测曲线如图5所示。由图5可知，掘进3～5 d后巷道变形趋于稳定，掘进期间顶底板最大移近量为25 mm，两帮最大移近量为71 mm，其中煤柱侧帮移近量为52 mm。从总体支护效果看，巷道支护状况良好，围岩变形得到有效的控制，煤柱保持稳定状态。

图7 巷道表面位移监测曲线图

5 结论

(1)综合考虑柳巷煤矿生产地质条件，结合数值模拟和理论计算结果，柳巷煤矿合理煤柱尺寸确定为10 m，既能保证煤矿的安全生产，又能提高煤炭资源的回收率。

(2)煤柱的稳定不仅与煤柱尺寸相关，而且与巷道支护形式有很大关系，为了保证煤柱稳定，巷道支护采用高预应力锚杆支护技术，提高主动支护能力和预应力扩散效果。

(3)从应用效果来看，巷道变形很小，煤柱处于稳定状态，说明优化后的煤柱尺寸是合理的。

(4)通过优化煤柱尺寸，减少了10 m煤柱的煤炭损失，提高了煤炭回收率，可为矿方创造巨大经济效益。

[1] 国家煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 [M]. 北京: 煤炭工业出版社, 2000

[2] 武炳瑞 . 厚煤层条件下合理宽度煤柱留设研究 [J] . 中国煤炭，2013(6)

[3] 姜耀东, 刘文岗,赵毅鑫等. 开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究 [J] . 岩石力学与工程学报,2005(6)

[4] 徐永圻. 采矿学 [ M]. 徐州: 中国矿业大学出版社,2003

[5] 谢广祥,杨科,常聚才.综放回采巷道围岩力学特征实测研究 [J].中国矿业大学学报,2006(1)

[6] 王继林，陈芳，屠洪盛 . 五阳煤矿孤岛综放工作面合理护巷煤柱宽度研究 [J]. 中国煤炭，2012(1)

(责任编辑 陶 赛)

Study on reasonable coal pillar size of roadway driven along gob of work face at extra-thick coal seam

Wang Zhanling1,2, Meng Xianzhi1,2

(1. Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Coal Mining Branch, China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China)

In order to determine reasonable coal pillar size of fully mechanized work face of Liuhang Mine, numerical simulation method was conducted to study the distribution laws and influencing scope of advanced abutment pressure in mining process, combined with theoretical calculation results, so as to determine the reasonable coal pillar size was about 10 m. Using high prestress anchor bolt support technology to improve the capacity of active support of bolts, effectively ensure coal pillar stability and roadway safety, and increase the recovery rate of coal resources.

coal pillar width, driving along gob, extra-thick coal seam, limit equilibrium theory, prestress, bolt support

国家科技支撑计划课题(2012BAK04B06)，天地科技创新基金项目(KJ-2014-TDKC-07)

汪占领，孟宪志 . 特厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究 [J] . 中国煤炭，2017,43(4)：58-61，83. Wang Zhanling，Meng Xianzhi . Study on reasonable coal pillar size of roadway driven along gob of work face at extra-thick coal seam [J] . China Coal，2017,43(4)：58-61，83.

TD353

A

汪占领(1977-)，男，河北蠡县人，副研究员，主要从事巷道支护研究与技术开发工作。