特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度优化及应用研究_游晓辉.pdf

特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度优化及应用研究 游 晓 辉 （山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿 ，山西 兴县 033602 ） 摘要 斜沟煤业特厚煤层综放开采区段煤柱宽度为 35m， 为提高资源利用率欲对区段煤柱宽度进行 优化， 通过理论计算分析及数值模拟研究表明， 23111 工作面合理的区段煤柱宽度为 8.6～44.4m， 最为 合理的区段煤柱宽度为 15m， 在实际生产中 23111 运输巷沿空掘巷煤柱宽度为 15m， 23111 工作面回 采期间对煤柱进行钻孔窥视， 二次采动影响下， 回采侧煤柱松动破坏的深度约为 7.0m， 煤柱完整性和 承载能力较好， 且巷道的变形量在安全可控的范围内， 区段煤柱优化为 15m 取得了良好的应用效果 和经济效益。 关键词 特厚煤层 ； 区段煤柱 ； 综放开采 ； 理论计算 ； 数值模拟 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0001- 03 Optimization and Application of Coal Pillar Width in Fully Mechanized Caving Face of Extra-thick Coal Seam YOU Xiaohui （Shanxi Xishan JinXingenergyco., LTDXiegou Mine ， Shanxi Xingxian 033602 ） Abstract The coal pillar width ofthe fullymechanized cavingminingsection in the extra- thick coal seam ofthe inclined trench coal industry is 35m. In order toimprove the resource utilization rate, the section coal pillar width is optimized. The theoretical calculation analysis and nu- merical simulation study showthat the 23111 working face is reasonable. The width of the coal pillar is 8.6～44.4m, and the most reasonable section coal pillar width is 15m. In the actual production, the coal pillar width of the 23111 transport lane along the goaf is 15m, and the coal pillar is drilled and peeped during the mining of 23111 working face. Under the influence of secondary mining, the depth of the loosening of the coal pillar on the mining side is about 7.0m, the integrity and bearing capacity ofthe coal pillar are good, and the deation of the road- way is within the safe and controllable range. The section coal pillar is optimized to 15m. Has achieved good application results and economic benefits. Keywords Extra- thick coal seam; section coal pillar ; fullymechanized cavingmining; theoretical calculation ; numerical simulation 1工程概况 山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿 21 采区 13 煤 23111 综采放顶煤工作面位于 21 采区 回风、 带式输送机、 辅运上山西侧， 南部为实煤区， 北部为 23113 采空区。工作面上覆为 8 号煤层 18113、 18101 工作面采空区，距上部采空区层间距 约 56.2m。 23111 工 作 面 煤 层 厚 度 为 13.50 ～ 15.80m， 平均为 14.79m， 煤层倾角为 9.7～15.8， 平 均倾角 13.5， 工作面倾斜长度 122.25m， 可采走向 长度 1500m， 工作面顶底板情况详见表 1。 为进一步 提高 23111 工作面的采出率，确定 23111 运输巷掘 进施工时护巷煤柱的最优宽度， 本文以 23111 工作 面区段煤柱的合理留设宽度为背景展开研究。 2煤柱合理宽度理论计算 参阅相关的研究成果[1～2]， 煤柱受载后的压缩变 形量和煤柱的强度与煤柱的宽高比呈正相关， 其具 体的关系如图 1 （a ） 所示， 煤柱的最大压缩变形量和 强度随着宽高比的增大明显提高， 宽高比在 0～4 之 间变化时， 煤柱的最大变形量变化最为明显， 当宽 高比大于 4 时， 煤柱的最大压缩变形量基本不再增 大， 当煤柱宽高比在 3.0 左右时， 煤柱的最大压缩量 小于 7mm/m， 且煤柱强度呈稳步增长的趋势， 煤柱 将保持较好的完整性和稳定性， 有利于回采巷道围 岩变形的控制， 综合考虑煤柱完整性和巷道稳定性 等因素， 23111 运输巷护巷煤柱的宽高比应小于 3， 23111 工作面煤层均厚为 14.8m，则区段煤柱宽 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 顶底板名称岩石名称厚度m岩性特征 老顶中细粒砂岩 2.48～8.97 5.45 灰白色， 碎屑以石英为主， 脉状 层理发育，局部垂直裂隙发育。 岩层普氏硬度为 6- 7。 直接顶砂质泥岩 0.00～5.50 2.66 灰黑色， 裂隙中含有大量黄铁矿 薄膜。岩层普氏硬度为 3- 4。 直接底泥岩 2.13～7.48 4.58 黑色， 半亮型， 质较好， 中间夹有 一层 14 号煤层。岩层普氏硬度 为 2- 3。 老底中粗粒砂岩 4.70～13.61 7.52 白色， 中厚层状， 成分以石英为 主， 钙质胶结。岩层普氏硬度为 6- 7。 表 123111 工作面顶底板岩性特征 1 ChaoXing 度应小于 44.4m。 （a） 煤柱宽度效应（b） 煤柱宽度计算模型 图 1煤柱合理宽度确定相关示意图 区段煤柱的留设宽度对于回采巷道的围岩稳 定性具有重大的影响， 工作面开采引起的动压及超 前支承压力影响下， 区段煤柱内的损伤破坏不断累 加， 若煤柱宽度过小将导致煤柱丧失其原有的支承 能力， 巷道煤壁帮的锚杆将失效， 最终导致回采巷 道出现破坏失稳， 因此， 区段煤柱的宽度应大于极 限平衡条件下的区段煤柱宽度， 其合理宽度的计算 模型如图 1 （b） 所示。依据极限平衡理论， 煤柱宽度 应满足 B≥x1x2x3（1） 式中 B 为煤柱最小宽度， 单位 m； x0为临近工 作面回采后煤柱体塑性区的宽度，单位 m； x2为回 采巷道煤柱侧锚杆长度，单位 m； x3为煤柱内部的 弹性核区， 按照经验取0.15～0.55 xl x2； 式 （1） 中的 x0计算公式如下[3] x1 mA 2tanφ0 ln kγH C0 tanφ0 C0 tanφ0 Px A ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （2） 式中 m 为工作面采高， 23111 工作面为 14.8m； A 为侧向压力系数， Aμ/1- μ，其中 μ 为泊松比， 取 0.56； φ0为煤层界面的内摩擦角，为 29.6； C0 为煤层界面的黏聚力， 为 1.64MPa； k 为应力集中系 数， 取 2； γ 为上覆岩层平均容重， 取 0.25MN/m3； H 为工作面平均埋深， 为 274m； Px为煤壁侧向平均约 束力， 临近工作面回采巷道采用锚杆支护， 取 0.3； 将以上参数代入式 （2）计算可得 x04.45m， 回采巷 道煤柱侧锚杆长度为 2.4m， 煤柱内部的弹性核区宽 度为 0.25 （6.452.5） 1.74m， 代入式 （1）计算可得， 区段煤柱合理宽度 B≥8.6m，综上可知，斜沟煤矿 23111 运输巷掘进时煤柱段宽度应满足 8.6m≤B≤ 44.4m。 3区段煤柱合理尺寸模拟研究 为进一步确定斜沟煤矿 23111 运输巷掘进时区 段煤柱的留设宽度， 根据 23111 工作面详细的地质 资料和煤岩层物理力学参数， 采用 FLAC3D 软件构 建区段煤柱数值计算模型，模型沿煤柱剖面建立， 模型的 Y 轴为工作面推进方向， X 轴为工作面的倾 斜 方 向 ， Z 轴 为 高 度 ， 模 型 的 尺 寸 为 XY Z4008250m， 工作面埋深为 274m， 模型顶部施 加 6.85MPa 均布载荷， 模型前后边界 Y 方向的位移 为 0， 左右边界 X 方向的为 0， 底部边界 X、 Y、 Z 方 向的位移为 0， 模拟方案 ①模型各单元初始应力均 达到 10- 5 数量级为初始应力平衡，得到初始应力 场； ②首先进行临近 23113 工作面的开挖； ③分别 留 设 8、 10、 13、 15、 20、 30m 宽 的 区 段 煤 柱 进 行 23111 运输巷的开挖； ④进行 23111 工作面的回采。 （a）煤柱宽度 8m（b）煤柱宽度 10m （c）煤柱宽度 13m（d）煤柱宽度 15m （e）煤柱宽度 20m（f ）煤柱宽度 30m 图 2煤柱内塑性区分布 区段煤柱在一次采动、掘进及二次采动影响 下， 煤柱内部塑性区分布及应力变化规律如图 2、 图 3 所示， 煤柱宽度为 8～10m 时， 两侧采空后煤柱内 塑性损伤破坏区覆盖整个煤柱， 煤柱内垂直应力达 47.8～51.6MPa，煤柱在高应力作用下对煤柱整体造 成破坏， 煤柱的支承能力骤降， 此时回采巷道将出 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 2 ChaoXing 现严重的变形破坏；当区段煤柱大于等于 13m 时， 煤柱两侧的塑性损伤破坏区中部保有明显的弹性 核区， 塑形区范围呈 “X” 型分布， 其宽度随着煤柱宽 度的增大逐渐增加，弹性核区的宽度分别为 4、 9、 17、 27m， 煤柱内垂直应力开始呈 “M” 型分布， 煤柱 中部应力明显降低， 根据前文计算的结果， 煤柱内 弹性核区的宽度最小为 1.74m，其中，煤柱宽度为 15m 时， 煤柱中部弹性宽度为 9m， 且煤柱内垂直应 力基本呈 “M” 型分布， 综合考虑经济、 安全等因素， 设计 23111 工作面区段煤柱宽度为 15m。 图 3煤柱内应力分布 4现场应用及效果分析 根据以上研究成果最终确定 23111 工作面区段 煤柱宽度为 25m， 为评价区段煤柱留设效果， 探测 煤柱整体的稳定性， 在 23111 运输巷煤柱帮布置三 个窥视钻孔， 钻孔的位置详情如图 4 （a ） 所示， 工作 面回采期间， 超前工作面 20m 进行钻孔窥视， 观察 不同深度钻孔围岩裂隙的发育程度，整理得到图 4 （b） 所示的结果， 由图可知， 整体而言各个钻孔内裂 隙的数量差异较大， 随着深度的增大， 煤体内裂隙 的数量注浆减小， 当深度在 0～3m 范围内时， 各个钻 孔煤体内的裂隙数量均较多， 煤体出现失稳破坏的 征兆， 孔壁甚至发生局部的坍塌 深度在 3～7m 时， 钻孔内的裂隙已显著减少，孔壁整体较为粗糙， 煤 体较为完整； 孔深为 7～10m， 孔壁整体较为光滑， 仅 存在少数且细小的裂隙。23111 运输巷围岩位移监 测结果表明，顶底板最大相对移近量为 289mm， 两 帮最大移近量为 324mm， 能够满足工作面的正常回 采的断面需求。综上分析可知， 在二次采动影响下， 煤柱在回采侧松动破坏范围约为 7m，煤柱中部存 在一定宽度的弹性核区， 煤柱的完整性和承载能力 较好，巷道的变形量在安全可控的范围内， 15m 的 区段煤柱较为合理。 （a）窥视孔布置示意图 （b）煤柱内部裂隙发育演化规律 图 423111 工作面煤柱宽度合理性监测 5结论 斜沟煤业 13 煤层区段煤柱宽度为 35m，为进 一步提高资源的利用率， 采用理论分析计算、 数值 模拟等方法对区段煤柱的合理宽度进行优化， 并依 据 23111 工作面详细的工程地质条件， 理论研究确 定区段煤柱宽度应在 8.6～44.4m，数值模拟确定最 佳煤柱宽度为 15m， 现场应用期间通过钻孔窥视表 明， 煤柱内存在一定宽度的弹性核区， 煤柱完整性 和承载能力较好， 且 23111 运输巷的位移也在合理 可控的范围内，证明 15m 的区段煤柱是安全可靠 的， 并取得了良好的经济效益。 参考文献 [1] 戴晨. 恒昇煤业窄煤柱回采巷道变形破坏特征与支护优化 技术研究[J/OL].煤炭工程,2019 （09 ） 70- 73[2019- 11- 09]. [2] 虎鹏.王洼二矿 110507 工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度 及支护设计[J].煤,2019,28 （10） 19- 21. [3] 梁家豪.小煤柱沿空掘巷支护技术研究应用[J].煤炭技术, 2019,38 （10） 21- 23. 作者简介 游晓辉 （1990-） ， 男， 山西省忻州市岢岚县人， 2012 年 7 月毕业于山西煤炭管理干部学院煤炭开采技术专业，初级， 现从事采煤技术工作。（收稿日期 2019- 11- 14） 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 3 ChaoXing