挖金湾矿8102 工作面沿空掘巷煤柱尺寸优化及支护研究_杨海峰.pdf

煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 1工程概况 挖金湾煤矿是同煤集团旗下的一个生产矿井， 现 阶段主采 8 煤层， 工作面开采标高 1050m～650m， 平均埋深 350m， 8 煤层总厚 2.23～3.85m，平均 3.27m， 煤层中含 2～3 层夹石， 厚度为 0.05～0.50m， 根据实际揭露资料显示煤层倾角 2.1～7.4，平均 5.0。8 煤层直接顶为平均厚度 1.5m 的 K2 灰岩， 基本顶为均厚 5.2m的粗砂岩， K2 灰岩自然抗压强度 为泥岩 6.8～9.5MPa，为坚硬岩层； 8 煤层直接底为 3～5m 的砂质泥岩。挖金湾煤业 8 煤层北一盘区的 8101 首采工作面正在进行回采， 其相邻的 8102 工作 面即将进入准备阶段， 8102 综采工作面位于矿井一 盘区北部， 北侧与正在回采的 8101 工作面相邻， 南邻 尚未开拓， 西部与一盘区回风巷、 运输巷相邻， 东部尚 未开拓。地面位置位于秦家山村东北部， 相对地表无 房屋及其它建筑。 挖金湾煤业原有工作面设计区段煤 柱为 30m， 由于目前沿空掘巷技术的成熟， 且 8 煤层 直接顶为坚硬岩层，采空区侧向可能出现较长的悬 顶， 巷道掘进引起坚硬岩层的破断， 很可能会引起巷 道围岩的失稳，因此设计 8 煤层改为留小煤柱沿空 掘巷进行开采。本文以挖金湾煤业 8102 工作面回采 巷道掘进和支护为工程背景， 对沿空掘巷开采方式的 可行性进行分析， 并设计合理的巷道支护形式。 图 18102 工作面采掘工程平面图 2煤柱合理宽度研究分析 挖金湾矿 8102 工作面沿空掘巷煤柱尺寸优化及支护研究 杨 海 峰 （同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司 ，山西 大同 037042 ） 摘要 挖金湾煤矿正在进行 8 煤层的采掘活动， 为提高资源利用率设计应用留小煤柱沿空留巷技 术， 以 8102 工作面回采巷道的布置及支护为工程背景， 通过理论分析、 数值模拟及现场监测研究确定 合理的煤柱宽度为 14m， 设计 8102 运输顺槽采用 “锚网索” 支护的具体参数， 应用后进行围岩位移情 况的监测， 8102 运输顺槽掘进期间顶板下沉量最大为 32mm， 底板底鼓量最大为 60mm， 实体煤侧最 大变形量为 65mm， 煤柱侧最大变形量为 85mm， 围岩变形得到了有效的控制， 所确定的煤柱宽度和支 护方式取得了良好的应用效果。 关键词 坚硬直接顶 运输顺槽 ； 数值模拟 沿空掘巷 中图分类号 TD353； TD822.3文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0027- 03 Study on dimension optimization and support of coal pillar in digging roadway along gob in 8102 working face of Wajinwan mine YANG Haifeng （Datongcoal mininggroup Wajinwan Coal Co., Ltd. , Datong 037042， China ） AbstractDig in jinwan is 8 coal seam in coal mine mining activities, to improve the utilization rate of resources application design for a small coal pillar along the technology, with 8102 working face of mining roadway layout and support for the engineering background, through theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring studies to determine the reasonable width of coal pillar is 14 m, 8102 transport gateway design adopts “the anchor net supporting“ specific parameters, application of monitoring the situation of the displacement of sur- rounding rock after 8102 transport gateway roof subsidence during drivage 32 mm, maximum amount of drum at the bottom of the base plate up to 60 mm, the entity coal side maximum deation is 65 mm,The maximum deation of coal pillar side is 85mm, and the surrounding rock deation is effectivelycontrolled. KeywordsHard direct top transport alongthe trough ; numerical simulation alongthe emptyroadway 27 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 2.1沿空掘巷煤柱留设原则 查阅相关的研究成果[1]， 随着与邻近采空边缘距 离的变化， 煤岩体内垂直方向支承应力的变化曲线如 图 2 所示，一定范围内形成压力降低区和压力升高 区， 不同位置的巷道围岩内应力大小差别很大， 巷道 一般需要布置在应力降低区内， 为了避免将回采巷道 布置在应力高峰值下， 工作面回采巷道掘进时有两种 方式，一是将巷道布置在距离采空区边缘较远的区 域， 该区域的煤岩体内的应力更接近原岩应力， 巷道 围岩易于维护，但是该区域往往要求区段煤柱达到 30m 以上， 将大量的煤炭资源遗留在采空区内， 大大 降低了资源的利用率； 二是将巷道布置在靠近采空区 边缘的应力降低区内， 此时煤柱尺寸相对于第一种情 况小很多， 能够有效的提高煤炭资源采出率， 但是由 于煤柱宽度较小， 易面临煤柱漏风、 采空区瓦斯在煤 柱侧溢出的问题。为提高矿井的经济效益， 应尽量采 用留小煤柱沿空掘巷技术，挖金湾煤业 8 煤层瓦斯 含量较低， 不存在通风的问题， 且巷道直接顶为坚硬 的岩层， 因此可采用沿空留巷技术。 图 2巷道煤柱留设方法 2.2沿空巷道受力数值模拟与煤柱尺寸优化 为详细了解挖金湾煤矿 8102 工作面准备期间， 8102 运输顺槽煤柱宽度大小对于其围岩稳定性的影 响， 采用 FLAC3D 数值模拟软件[2～3]， 以该矿 8102 运 输顺槽掘进为工程背景， 研究分析不同煤柱宽度条件 下巷道围岩的稳定情况 [1～2]。8 煤层煤岩体采用摩 尔库伦本构模型，模型尺寸长宽高 210 30082.5m， 8101 工作面采高 3.2m，平均埋深为 350m， 8101 工作面采空区采用一次性换充填材料模 拟采空区冒落矸石[1]， 数值模拟模型如图 2 （a ） 所示。 模型位移边界条件如图 2 （b ） 所示 模型前后、 左右边 界法向位移受到约束， 底面为固定边界， 上部为自由 边界， 基于上方边界施加 7.25MPa 的等效载荷。8102 运输顺槽断面尺寸宽高 4.53.5m，模拟方案 8102 运输顺槽与 8101 工作面煤柱的宽度分别为 10、 12、 14、 16、 18m， 在不同煤柱宽度条件下模拟 8102 运 输顺槽的掘进， 观察煤柱内应力的分布规律和巷道围 岩的稳定性。 （a ） 三维数值模型（b） 边界条件 图 3数值模型示意图 由于篇幅所限， 并且模拟结果表明， 不同煤柱宽 度条件下煤柱内的垂直应力和煤柱帮位移变化最为 显著， 所以在图 4 中仅给给出煤柱内垂直应力和煤柱 帮位移的变化曲线。由图 4 （a ） 可以看出， 当煤柱宽度 小于 12m时， 8102 运输顺槽掘进后， 煤柱内的垂直应 力呈单峰分布， 并且应力峰值较大； 当煤柱宽度增大 到 14m以上时，煤柱内垂直应力变化曲线开始呈双 峰式， 并且应力峰值也相对减小， 说明煤柱内开始存 在一定宽度的弹性核区，煤柱具有较好的支承能力； 煤柱宽度继续增大到 16m 后，煤柱内垂直应力峰值 基本未发生变化；综上可知，当煤柱宽度为 14～16m 时， 垂直应力在煤柱中分布较合理， 煤柱支承能力较 好， 巷道不易发生过大的变形。 根据图 4 （b ） 所示的结 果可以看出， 随着煤柱宽度的增大， 煤柱侧巷帮的变 形量逐渐减小， 煤柱由 10m增加到 14m时， 煤壁位移 量减小最为显著； 煤柱宽度继续增大， 巷帮的位移量 减小并不明显。综上分析， 并考虑经济效益等多方面 的因素确定 8102 运输顺槽侧煤柱宽度为 14m。 （a ） 煤柱内垂直应力分布（b）煤柱帮位移 图 4不同煤柱尺寸条件下模拟结果 3沿空掘巷支护技术 挖金湾 8 煤层直接顶为厚度 1.5m 左右的坚硬 岩层， 参考相关的研究成果[4]， 设计采用 “锚网索” 进行 8102 运输顺槽的支护， 顶板锚杆采用 Ф182000mm 的高强左螺旋锚杆，锚固剂采用一条 K2335 和一条 Z2396 树脂锚固剂，顶板锚杆间排距为 1300 28 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 1000mm，顶板靠近巷帮的两排锚杆向巷道外侧倾斜 15安装， 钢带采用由直径 12mm的光圆钢筋加工而 成的梯形钢带， 钢带规格为 470075mm。两帮锚杆 采用 Ф161800mm， 间排距为 10001000mm， 靠近 顶角和底角的锚杆分别向上和向下倾斜 15，靠近 巷道腰线的两根沿水平方向垂直煤壁安装。 锚索采用 Ф15.244300mm 的钢绞线， 距顶板中心线 1250mm 对称安装两个锚索， 间排距为25003000mm， 锚固剂 为孔底用 K2355 一支， 孔口用一支 CK2355， 安装时 施加不小于 80kN 的预应力。顶板采用网格为 50mm 的矿用镀锌菱形金属网护表，网片尺寸为长宽 47001100mm， 两帮采用网格为 50mm的矿用格宾 网护表， 网片尺寸长宽37001100 mm。 8102 运输 顺槽支护方案如图 5 所示。 （a） 支护断面图（b） 顶板 图 58102 运输顺槽支护方案 （a ） 顶底板位移（b） 两帮位移 图 68102 运输顺槽围岩变形规律 4现场应用效果监测 挖金湾煤业 8102 运输顺槽与 8101 工作面区段 煤柱宽度为 14m， 采用上述的支护方式， 为考察其煤 柱留设和支护方案的合理性，在 8102 运输顺槽掘进 期间进行现场监测，监测结果整理后如图 6 所示， 由 图可知， 8102 运输顺槽巷道掘进时， 围岩变形集中在 成巷 30 天内， 底板底鼓量大于其顶板下沉量， 顶板下 沉量最大达 32mm， 底板底鼓量最大为 60mm， 实体煤 侧最大变形量为 65mm， 煤柱侧最大变形量为 85mm， 总体来说， 8102 运输顺槽掘进期间围岩变形量较小， 围岩变形得到了有效的控制，证明 14m 煤柱及支护 方案下， 8102 运输顺槽围岩控制效果良好。 5结论 为提高挖金湾煤矿资源利用率， 设计采用留窄煤 柱沿空掘巷技术进行 8 煤层的回采，根据挖金湾煤 矿 8102 工作面具体的地质条件，通过理论分析及数 值模拟分析得知， 8102 运输顺槽保护煤柱宽度为 14m 较合理， 设计采用 “锚网索” 支护方式对 8102 运 输顺槽进行支护，现场应用后进行围岩位移量观测 8102 运输顺槽掘进期间，顶板下沉量最大达 32mm， 底板底鼓量最大为 60mm，实体煤侧最大变形量为 65mm， 煤柱侧最大变形量为 85mm， 总体来说， 8102 运输顺槽掘进期间围岩变形量较小， 围岩变形得到了 有效的控制， 所确定的煤柱宽度和支护方式取得了良 好的应用效果。 参考文献 [1] 李永元.沿空巷道坚硬顶板围岩变形数值模拟研究[J].内 蒙古煤炭经济,2018 （15） 146- 147. [2] 薛旭辉.坚硬顶板沿空掘巷支护优化技术研究[J].山西焦 煤科技,2015,39 （12030- 33. [3] 杨真,郭争利,李仪.厚煤层留窄煤柱沿空掘巷锚网联合支 护设计[J].煤炭工程,2015,47907） 50- 5255. [4] 刘权. 四台煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究[D].中国矿业 大学,2014. 作者简介 杨海峰 （1984-） ， 男， 汉族， 山西怀仁人， 工程师， 研究方 向 综采生产技术管理。 （收稿日期 2019- 7- 10） 29 ChaoXing