特厚煤层综放工作面沿空掘巷小煤柱合理宽度留设研究

2021-10-25童荣李化敏孙浩李东印

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年5期

童荣，李化敏，孙浩，李东印

（1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；2.同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西朔州 036000）

0 引言

随着煤炭行业开采技术逐渐成熟、采矿装备日益先进、开采强度逐步增加，矿井可采储量下降速度过快问题也日益凸显。为提高煤矿资源采出率、延长服务年限、提高经济效益，目前开采主要采用无煤柱护巷技术，其中特厚煤层条件下以小煤柱护巷为主［1-6］。由于地质条件、开采技术条件等不同，煤柱尺寸留设宽度也不尽相同。因此，不同条件下小煤柱宽度如何留设成为采矿界研究的焦点之一。

目前，在沿空掘巷煤柱留设和巷道围岩控制等方面，我国学者进行了较多研究。姚博等［7］以浅埋深、中厚煤层为地质条件，对孤岛工作面小煤柱巷道所处的端部“小结构”进行了分析，通过理论计算，得出该地质条件下小煤柱的留设宽度；李文峰等［8］从如何解决小煤柱巷道围岩变形严重问题入手，通过研究小煤柱巷道所处的力学环境，分析巷道围岩变形机理，并提出合理的支护方案，解决了小煤柱巷道变形严重的问题；谭志文［9］从小煤柱巷道回采期间的围岩稳定性入手，分析了不同煤柱宽度在工作面回采期间的受力状况及巷道变形情况，从巷道回采角度探索了小煤柱巷道煤柱的宽度留设；崔楠等［10］通过开发可释放弹性应变能计算单元及其与TECPLOT耦合分析的程序，研究了孤岛沿空掘巷小煤柱中弹性应变能密度分布特征；桑鹏程等［11］以小煤柱巷道的冲击地压防治为切入点，分析了小煤柱工作面高静载主导-强动载诱发的动静载叠加诱冲机理。可以看出，上述关于小煤柱沿空掘巷的研究多集中于煤柱所处的力学环境和巷道围岩控制方面，而煤柱的留设宽度受地质条件影响较大，针对大同矿区特厚煤层坚硬顶板地质条件下小煤柱合理留设宽度的研究相对较少。

本文以大同煤矿集团有限责任公司麻家梁矿为研究背景，探究该地质条件下沿空掘巷小煤柱的合理留设宽度。以往麻家梁矿留设的区段煤柱为宽煤柱，约38 m。宽煤柱护巷可以隔离相邻采空区有害的水、火、瓦斯等，使本工作面不受采空区影响，但资源浪费严重，回采期间巷道变形量大。为解决这些问题，以麻家梁矿14203-1胶带运输巷地质条件为基础，通过理论计算和数值模拟，研究沿空掘巷小煤柱合理的留设宽度。

1 工程概况

麻家梁矿14203-1工作面开采3-5号煤层，煤层平均倾角3°，平均厚度9.5 m，平均密度1.44×103kg／m3，普氏硬度3。煤层直接顶为含炭泥岩、粉砂岩，煤层底板为粉砂岩，工作面内3716钻孔柱状图如图1所示，14203-1工作面巷道布置平面图如图2所示。

图1 3716钻孔柱状图Fig.1 No.3716 borehole column

图2 14203-1工作面巷道布置平面图Fig.2 Gateway layout plane figure plane figure of 14203-1 working face

2 沿空掘巷小煤柱合理宽度分析

煤柱的留设宽度是沿空巷道围岩控制的重要因素。如果煤柱宽度过小，则煤柱破碎严重，不利于巷道支护，同时也不利于与采空区隔绝，水、火、瓦斯等灾害问题突出。如果煤柱宽度留设较大，可能将巷道布置在采空区侧向应力升高区，使巷道维护更加困难，同时也会造成大量的资源浪费。因此，煤柱宽度存在一个合理的范围，可使沿空巷道既能处在稳定的围岩环境中，又能减少煤炭资源浪费。

2.1 小煤柱宽度理论分析

根据麻家梁矿实际地质条件，运用弹塑性力学理论，推导计算14204工作面回采后侧向支承压力分布情况和应力降低区宽度，为14203-1工作面小煤柱巷道布置提供理论依据。其力学模型如图3所示。

图3中，M为煤层采厚，σx为水平应力，σy为垂直应力，σyl为垂直应力峰值，τxy为煤层与岩层间剪应力，x1为极限平衡区宽度，α为煤层倾角，Px为煤柱所受水平约束力。

图3 煤柱极限平衡区宽度计算力学模型Fig.3 Mechanicalmodel for calculating the width of the lim it equilibrium area of coal pillar

由于14203-1工作面煤层倾角平均为3°，为近水平煤层，因此力学模型中α可取0°，求解屈服区界面应力的平衡方程及边界条件［12-13］，可得极限平衡区宽度，即

式中：A为侧压系数，取1.26（文献［14］地应力实测）；φ0为内摩擦角，取28°；C0为黏聚力，取2 MPa；Px为侧向约束力，取0。

其中垂直应力峰值

式中：K为应力集中系数，取2.18（文献［15］实测值）；γ为上覆岩层平均体积力，取0.025 MN／m3；H为巷道埋深，取606 m。

计算可得σyl＝33.03 MPa。

工作面平均采厚9.5 m，可计算侧压系数为1.26时，14204采空区所形成的极限平衡区宽度为19.0 m。

由文献［16］可得，极限平衡区内任一点的应力

式中：x为应力降低区范围，m；σy为原岩应力，15.15 MPa。

由式（3）计算，可得x＝12.4，故14204采空区所产生的应力降低区范围为0～12.4 m。

采空区稳定后，应力降低区宽度为0～12.4 m，考虑14203-1胶带运输巷宽度为5 m，为了确保巷道处于应力降低区内，小煤柱的最大宽度应为7.4 m左右。

2.2 小煤柱宽度的数值模拟分析

为了全面系统地了解14204采空区稳定后的侧向支承压力分布特征，采用FLAC3D有限元计算软件进行相应模拟，方案如下。

为减少模拟计算量，本次模拟以图2中Ⅰ-Ⅰ剖面为数值模拟模型，模型共划分为52 223个单元，模型尺寸为830 m（长）×1 m（宽）×100 m（高）。边界条件方面，在模型底部固定纵向位移，两边固定横向位移。模型中加入分界面，模拟采空区垮落后顶板与底板的接触情况，在顶部施加14.36 MPa的垂直应力模拟上覆岩层自重。

模拟开挖方案完全按照工作面实际开采状况进行，初始应力平衡后首先开挖14202工作面，其次开挖14204辅助运输巷，再次开挖14204工作面，得到14203-1工作面运输和回风巷掘进前的开采条件，最后分别开挖14203原辅助运输巷、14203-1胶带运输巷和14203-1辅助运输巷。在4号煤层顶布置测线，观测14204工作面左侧起110 m范围内的应力变化状况，每隔2 m设置1个测点，数值计算模型见图4。根据麻家梁矿具体地层情况对岩层赋予物理力学参数，见表1。

图4 数值计算模型Fig.4 Numerical calculation model

表1 各岩层主要力学参数Tab.1 Main mechanical parameters of each stratum

通过模拟14204工作面开挖，并对工作面（现采空区）左侧110 m范围内煤层顶板的垂直应力进行监测和处理，得到侧向支承压力曲线，如图5所示。由图5可以看出，14204工作面回采后距离煤壁0～12 m内支承压力低于原岩应力，与理论计算的12.2 m基本吻合，因此小煤柱最大宽度7 m左右较为合理。

图5 侧向支承压力分布曲线Fig.5 Curve of lateral autment pressure distribution

3 小煤柱宽度确定

为更直观地了解不同宽度条件下煤柱塑性破坏区分布和围岩垂直应力分布情况，对不同煤柱宽度进行针对性模拟。

3.1 围岩侧向塑性区与煤柱宽度关系

图6为14204工作面采空区稳定后不同煤柱宽度下围岩塑性区分布。当煤柱宽度为3，5 m时，受14204工作面回采和巷道掘进对围岩扰动的影响，煤柱内部已全部塑性破坏；当煤柱宽度为7 m时，煤柱依旧处于塑性破坏状态；当煤柱宽度为9，11 m时，煤柱内部分别存在2，4 m左右的弹性区域，说明煤柱宽度在超过某一临界值后，煤柱内部塑性区的宽度会保持恒定，而弹性区宽度会随着煤柱宽度的增加而递增，显然在此塑性区宽度的临界值为7 m。

图6 不同煤柱宽度塑性区破坏情况Fig.6 Plastic zone damage with different pillar width

由上述分析可知，当煤柱宽度不超过7 m时，煤柱处于完全破坏状态，此时煤柱承载能力小，有利于沿空巷道掘进。当煤柱宽度大于7 m后，随着煤柱宽度增加，煤柱内弹性区不断增大，煤柱的承载能力变大，此时巷道掘进会导致掘进和回采时期巷道煤柱承压，不利于巷道维护，同时浪费资源。因此麻家梁14203-1胶带运输巷小煤柱宽度最大可留设为7 m。

3.2 围岩垂直应力与煤柱宽度关系

图7为14204工作面采空区稳定后不同煤柱宽度下巷道围岩垂直应力分布情况。

图7 围岩垂直应力分布情况Fig.7 Vertical stress distribution of surrounding rock

当煤柱宽度较小，如3 m时，受14204采空区影响在煤柱上产生应力集中，煤柱中应力分布级别差距不大。煤柱中部支承压力较大，但区域范围较小，只有1 m左右且低于原岩应力。

随着煤柱宽度进一步增大（5～7 m），应力分布情况与煤柱宽3 m时接近，区别在于，煤柱中应力分布等级差距逐渐明显，高应力区域逐渐变大，所占比例也在逐步增大，但最大应力依旧低于原岩应力。煤柱宽度超过7 m（9～11 m）时，煤柱中部应力已超过原岩应力，并且随着煤柱宽度增加，中部的应力集中程度进一步加大，高应力区域也在逐渐增大。说明受14204采空区影响，沿空掘巷的煤柱宽度有一个合理值，而这一合理值应处在上述应力均衡范围内，使沿空巷道处于工作面采空区侧的应力降低区内。

确定合理煤柱宽度应遵循以下原则：巷道位于应力降低区内；煤柱处于塑性破坏状态；煤柱可以有效隔离采空区。鉴于此，通过煤柱塑性区和煤柱垂直应力分析，考虑到麻家梁矿14204采空区遗留调车硐室的影响（遗留硐室深5 m，为隔绝采空区有害气体），最终确定麻家梁14203-1胶带运输巷小煤柱宽度为分析的最大值7 m。

4 工程应用效果分析

14203-1胶带运输巷沿煤层底板掘进，巷道断面采用全锚索＋钢带＋钢护板＋金属网联合支护，顶板采用φ21.8 mm×10 300 mm组合锚索支护，2×2交替布置，对角锚索分别为8 300 mm和6 300 mm，排距1 800 mm×900 mm。帮锚索规格为φ21.8 mm×4 300 mm，排距1 800 mm；巷帮下部采用1根φ22 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆支护，如图8所示。

图8 支护参数断面图（单位：mm）Fig.8 Section diagram of gateway support（unit：mm）

为了验证7 m宽小煤柱设计的合理性，对麻家梁矿14203-1胶带运输巷进行巷道表面位移观测，掘进期间分别在该巷道1 289，1 475，1 584，1 717，1 875 m处布置5组测点。观测结果表明，14203-1胶带运输巷在掘进期间两帮变形量最大为340 mm，顶底板变形量最大为325 mm，1号、2号测点监测数据如图9所示，在此期间巷道维护状况良好，未出现锚杆锚索失效、巷道片帮等问题，说明麻家梁矿在留设7 m小煤柱配合合理支护的情况下，巷道围岩变形得到了有效控制。