综放沿空掘巷小煤柱尺寸对围岩作用的研究

2022-09-14李冬辉

山西焦煤科技 2022年8期

马鹏，李冬辉

(1.淮北矿业集团有限责任公司，安徽淮北 235000；2.晋能控股煤业集团有限公司技师学院，山西大同 037003)

留小煤柱沿空掘巷中，小煤柱起到主要的支撑作用，并且可以防止漏风以及有毒有害气体等[1]. 小煤柱的宽度影响基本顶主要是通过对直接顶的支撑间接地对基本顶起作用，煤柱宽度不同其支撑力有所差异，小煤柱太窄起不到有效支撑作用，煤柱较宽会造成资源浪费，小煤柱并不是越宽越好[2-3]. 本文结合涡北煤矿8201外机巷，分析不同宽度的小煤柱对综放沿空掘进巷道的影响规律，以确定合理的小煤柱尺寸满足生产需要，同时降低资源浪费。

1 采场基本顶侧向破断关键块分析

基本顶沿垂直于工作面方向的破断方式即为基本顶的侧向破断，基本顶侧向破断位置的不同会带来不同的巷道围岩应力分布，从而起到不同的影响作用[4]. 基本顶侧向断裂位置的确定关键是弧形三角块交接结构中关键块的受力问题以及其运动状态，根据基本顶初次破断的“O-X”形断裂形式以及随工作面不断推进后的半个“O-X”形断裂，形成弧三角板的交接结构，见图1.

图1 留小煤柱沿空掘巷覆岩大结构图

由图1可知，基本顶侧向破断位置的确定与关键块体B的性质、受力及其状态密切相关。开采深度、开采高度、留设小煤柱的宽度等都会对关键块体B的断裂位置和情况产生影响。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型的建立

根据涡北煤矿的岩石力学性质参数(表1)，采用UDEC软件建立模型，见图2. 模型的尺寸长200 m×宽100 m，该模型是采用二维平面应变模型，同时岩体符合Mohr-Coulomb本构关系，模型上加载约为6 MPa的垂直应力。

表1 模型各岩层主要力学参数表

图2 沿空掘巷基本顶侧向破断的数值模型图

2.2 小煤柱宽度对基本顶破断及围岩控制的影响

模拟小煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m时，采场基本顶侧向破断位置。此时的开采高度设定为7 m，基本顶厚度是8 m，煤层开采深度为500 m，留小煤柱沿空掘巷巷道尺寸5 000 mm×3 000 mm.

基本顶侧向破断位置随留设小煤柱宽度变化的模拟图见图3. 由于图形较小，断裂位置不明显，为了更直观地看到基本顶的断裂位置，在模拟图形上用圆圈标出。由图3可知，采场基本顶侧向破断的位置随着小煤柱宽度的增加而逐渐远离煤体向采空区趋近。为了能够更加清楚地了解基本顶侧向破断位置随开采深度变化的规律，给出其影响变化曲线图，见图4.

图3 基本顶侧向破断位置随小煤柱宽度的变化图

图4 基本顶侧向破断位置随小煤柱宽度变化曲线图

由图4可知，断裂裂隙距离巷道左侧距离分别为12 m、13 m、14 m、17 m、17.5 m、23 m. 从整体数据变化上可知，基本顶侧向破断位置距离巷道左侧的距离是随着小煤柱宽度的增加逐渐远离的，但采场基本顶侧向破断位置是向采空区处趋近的，同时留设小煤柱的宽度影响基本顶侧向破断位置的变化大小是随着宽度增加而逐渐增大。

巷道变形量随小煤柱变化曲线见图5. 由图5可知，当小煤柱从3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m变化时，巷道围岩变形量分别为720 mm、265 mm、485 mm、153 mm、100 mm、61 mm. 当煤柱宽度为3 m时，小煤柱扭曲变形较为严重，煤体强度很难支撑顶板压力；当小煤柱宽度为4 m时巷道变形量最小；当小煤柱宽度为5 m时，变形量也较大，但是煤体的整体性较为完整依然可以有效支撑巷道顶板压力；小煤柱宽度越大巷道变形量越小。巷道变形的整体趋势随小煤柱宽度的增大而变小，同时变化幅度逐渐减小。但煤柱宽度增大会导致回收率降低，煤柱尺寸在4～5 m为宜。

图5 巷道变形量随小煤柱宽度变化的曲线图

3 工程实例

3.1 地质状况

涡北煤矿8201外机巷综放沿空掘进巷道标高为-430～-450 m，设计走向长度550 m，煤层平均倾角21°，81煤平均厚4.37 m，82煤平均厚2.98 m，81煤与82煤之间夹矸为灰～深灰色泥岩，平均1.2 m厚，煤体硬度系数f约为0.17，为极松软煤层。

3.2 小煤柱宽度的选取

8201外工作面巷道掘进跟82煤底板施工。采用36 U型棚+锚索梁，巷道帮部采取两道锁腿梁间隔交错布置。同时，在小煤柱沿空侧采用注浆加固。

从上述数值模拟来看小煤柱宽度4 m时效果最好，该矿从2007年投产以来所有沿空掘进小煤柱的尺寸大小不一，最大8 m，最小3 m. 同时，根据各工作面回采经验可知，由于工作面倾角较大，工作面刮板输送机容易上窜下滑影响出煤效果，为了满足生产需要，巷道需要二次刷扩(增宽)，留设的小煤柱将会被破坏，被刷扩减小的宽度为700～1 000 mm. 若选取宽度为4 m的小煤柱，小煤柱的宽度将会减少到3.3 m以下，此时巷道变形量将会增加，小煤柱起不到有效支撑，巷道压力显现明显。小煤柱宽度为5 m时，被二次刷扩后依然有4 m以上，不影响支撑效果，同时也在一定程度上提高了资源回采率。综合考虑，后期涡北煤矿沿空掘巷小煤柱宽度选取5 m为最佳。

3.3 巷道围岩管控效果

8201外机巷从巷道施工到8210外工作面回采结束期间，机巷下帮刷帮量最大1.3 m，巷道变形量最大830 mm，巷道设计尺寸宽4 800 mm×高3 400 mm，巷道变形量在可控范围内。小煤柱的尺寸选取5 m不仅满足生产需要，同时避免资源浪费并且在回采期间刷帮1.3 m后依然能够起到支护封堵的作用。