沿空掘巷窄煤柱合理宽度优化研究

2021-02-26孙晓龙宋家乐贺庆丰孙利辉胡邦国

煤炭与化工 2021年1期

孙晓龙，宋家乐，贺庆丰，孙利辉,2，胡邦国

（1.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北邯郸 056038；2.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北邯郸 056038）

0 引言

随着我国煤炭资源大量开采，部分地区煤炭资源已近枯竭，煤炭为不可再生能源，提高煤炭资源回收率是亟待解决的问题。窄煤柱沿空掘巷相比宽煤柱护巷方式，能有效提高煤炭资源回收率，确定合理的窄煤柱宽度是保障沿空掘巷顺利实施的重要因素[1-3]。国内外专家学者对沿空掘巷合理的窄煤柱宽度进行了大量研究。张文才等[4]通过理论分析、数值模拟和现场监测等方法，研究了采空区边缘煤体应力分布，分析了不同宽度煤柱巷道的稳定性，确定窄煤柱合理宽度为5 m。方刚等[5]根据Bieniawski 煤柱强度理论及相关判别指标，确定了留设的煤柱宽度。原育锋等[6]通过力学状态分析、理论计算和数值模拟，得到了不同宽度煤柱下的应力场和位移场分布特征，确定合理的煤柱宽度为5m。李来源[7]通过理论计算和数值模拟，得到了不同煤柱宽度下的巷道围岩变形及塑性区分布规律，确定了合理的煤柱宽度。胡大冲等[8]运用极限平衡理论和模拟分析，认为合理的煤柱宽度为15 m。姚福艳等[9]通过数值模拟方法，获得了不同宽度护巷煤柱内的支承应力变化规律。

基于上述研究成果，以优化沙曲一号煤矿4305 工作面沿空掘巷煤柱宽度为工程背景，通过理论计算、数值模拟、现场观测的研究方法，计算了护巷煤柱塑性区宽度，分析了不同宽度煤柱时的巷道围岩位移场分布规律，最终确定了合理的沿空掘巷窄煤柱宽度。

1 概况

4305 工作面位于+400 水平，北面为4306 工作面采空区。工作面地质构造简单，煤层倾角为3°～11°，平均为8°。工作面煤层厚度为3.9～4.2 m，平均为4.1 m。直接顶为中砂岩，厚度约4.91 m，基本顶为泥岩，厚度约2.0 m，直接底为中砂岩，厚度约1.2 m，基本底为粉砂岩，厚度约1.6 m。工作面倾向布置，走向长度为174 m，倾向可采平均长度为396 m。4305 胶带巷位于5305 胶带巷以里，原4305 采空区以里，设计5305 胶带巷掘进至原4305 工作面开切眼位置后，向上穿层掘进至4 号煤，形成4305 胶带巷，该巷道沿4306 工作面采空区边缘掘进。

巷道断面为矩形，净断面尺寸4.4 m×4.1 m（宽×高），采用锚网索梯联合支护，顶部锚杆为φ22 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×700 mm；帮部锚杆为φ20 mm×2 000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×700 mm；顶部锚索采用φ21.8 mm×6 200 mm 左旋预应力钢绞线，间排距为1 600 mm×1 400 mm，锚索布置为五花布置（3 根、2 根交错）；顶板护表钢带梁采用W钢带，帮梯子梁使用φ16 mm 的圆钢；煤柱侧帮部锚索规格φ17.8 mm×4 200 mm，间排距1 500 mm×1 400 mm，同排锚索使用1.7 m 长的16 号槽钢连接；顶部锚杆托盘配套使用规格为150 mm×150 mm×12 mm 的碳钢Q235A3 托盘，帮部锚杆托盘配套使用规格为150 mm×150 mm×10 mm 的碳钢Q235A3 托盘，顶、帮部锚索均配套使用规格为300 mm×300 mm×16 mm 钢板制作的配套垫板（强力型）。

2 沿空掘巷窄煤柱合理宽度理论分析

根据小变形弹塑性理论及极限平衡理论，窄煤柱宽度表示为：

式中：Y 为窄煤柱宽度，mm；R 为4305 胶带巷开挖后的塑性区宽度，mm；R0为上区段工作面周边煤体的塑性区宽度，mm；a 为掘进影响系数，取1.2；d 为开采影响系数，取1.1。

R、R0表示为：

式中：m 为巷道高度；λ 为侧压系数；C0、φ0分别为煤层与底板界面处的粘结力、内摩擦角；k 为巷道所在位置的应力集中系数；γ 为上覆岩层平均容重；H 为开采深度；K 为回采引起的应力集中系数；Px为巷道支架对煤帮的支护强度；M 为煤层开采厚度。

将表1 中数值带入，计算得R0=5.8 m，R=1.2 m，窄煤柱合理宽度最小为7.8 m，取整为8.0 m。

表1 4305 工作面相关参数Table 1 Relative parameters of 4305 working face

3 沿空掘巷窄煤柱合理宽度的数值分析

3.1 建立模型

根据4305 工作面实际地质条件，运用FLAC3D 建立尺寸为 420 m×200 m×160 m 的模型。4305 工作面长180 m。模型上边界施加边界载荷p=10 MPa，以模拟上覆岩层自重，模型其他3个边界均为位移约束。煤柱宽度设计5、8 和15 m三种方案，在相同支护方式下分别模拟不同煤柱宽度的沿空巷道围岩变形量。

3.2 掘进和回采阶段巷道位移场分布

4305 胶带巷道在掘进和回采阶段围岩变形情况如图1、图2 所示。

由图1 可知，在巷道掘进期间，留设煤柱宽度

图1 掘进期间巷道围岩变形曲线Fig.1 Deformation curve of surrounding rock during mining

由图2 可知，在回采期间，留设煤柱宽度5、8、15 m 时，巷道顶底板移近量分别为445、172、141 mm，两帮移近量分别为1 242、426、313 mm。受采动影响，煤柱宽度5 m 时，巷道变形量很大，特别是煤柱帮移近量达到了897 mm，此时煤柱塑形区与4306 采空区贯通，煤柱失去承载能力，导致巷道变形较大，巷道不稳定，煤柱宽度8 m、15 m 时，巷道变形量相差不大，均可控，且煤柱内仍有一定范围的煤体处于弹性状态，可以起到有效支承上覆岩层的作用，利于巷道稳定。

图3 掘进阶段巷道表面移近量Fig.3 Surface movement of roadway in mining

从理论计算和数值模拟结果来看，8 m 和15 m宽煤柱均能保障巷道掘进和工作面回采的安全，巷道变形可控，为提高煤炭资源回收率，确定合理的煤柱宽度为8 m。5、8、15 m 时，巷道顶底板移近量分别为273、108、89 mm，两帮移近量分别为504、261、203 mm，除煤柱宽度5 m 时，两帮变形较大外，其余变形量均不大，说明巷道围岩受掘进扰动影响较小。