厚煤层综采工作面沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究(1).pdf

92020 年第 6 期 厚煤层综采工作面沿空掘巷 合理煤柱宽度及围岩控制技术研究 马富君 （潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 蒲县 041200） 摘 要 为提高矿井 11煤层 22 采区煤炭的采出率，拟在 2202 工作面回风巷采用窄煤柱沿空掘巷。通过理论分析与数 值模拟分析确定了沿空掘巷的合理煤柱宽度为 10.5m，结合具体地质条件进行巷道支护方案设计，并进行矿压监测。结果 表明巷道顶底板及两帮最大移近量分别为 82mm 和 144mm，保障了沿空掘巷围岩的稳定。 关键词 厚煤层 沿空掘巷 煤柱 中图分类号 TD353；TD822.3 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.004 Study on Reasonable Coal Column Width and Surrounding Rock Control Technology of Driving along Goaf in Fully-mechanized Coal Mining Face of Thick Coal Layer Ma Fu-jun （Luan Group Puxian Yitian Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Puxian 041200） Abstract In order to improve the coal extraction rate in coal mining area 22 of mine 11 coal seam, it is proposed to adopt narrow coal pillar along empty roadway in return air roadway of the 2202 working face. Through theoretical analysis and numerical simulation analysis, the reasonable width of coal pillar along empty roadway is determined to be 10.5m, combined with specific geological conditions to design roadway support scheme, and to carry out mine pressure monitoring operation. The results show that, the maximum approach of roadway top floor and two sides is 82 mm and 144 mm, respectively, which ensures the stability of surrounding rock along the roadway. Key words thick coal seam gob side entry driving coal column 收稿日期 2019-12-13 作者简介 马富君，男，陕西咸阳人，中级工程师，2009 年毕 业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，长期从事煤矿的生产 与管理工作。 1 工程概况 山西潞安集团伊田煤业有限公司 2202 工作面 位于 11煤层 22 采区，2202 工作面北侧为 11煤东 翼带式输送机大巷，西侧为 2105 工作面采空区， 东侧为实体煤，南侧为井田边界保护煤柱。工作面 主采 91011煤层，煤层均厚为 5.17m。煤层直接 顶为 K2 石灰岩，均厚 10.58m；直接底为灰色泥岩 及砂质泥岩，均厚为 2.98m；基本底为砂岩，均厚 3m。 2202 工作面回风巷西侧为 2105 工作面采空 区，巷道长度为 1138m，断面形状为矩形，宽 高 4.0m3.2m，采用锚网索进行支护。现为有效 提高煤炭采出率，在保障回风巷围岩稳定的前提下， 尽量缩小护巷煤柱的宽度，特进行沿空掘巷煤柱合 理宽度及稳定性的研究分析。 2 沿空掘巷窄煤柱宽度分析 2.1 煤柱宽度理论分析 煤柱留设宽度一直是巷道围岩稳定性研究的关 键影响因素，煤柱留设宽度不合理不仅会影响巷道 围岩应力分布状态及范围，还可能造成巷道围岩变 形量增大等问题。沿空掘巷沿邻近采空区边缘进行 掘进，其窄煤柱受到毗邻工作面采动影响，此时煤 柱两侧浅部围岩会发生塑性变形及破坏 [1-2]。随着煤 柱宽度的减小，煤柱内的应力集中程度得到减弱， 但煤柱宽度又不应太小。如果煤柱宽度低于某个值 时，煤柱将会发生蠕变变形破坏，导致煤柱帮锚杆 不能锚固在稳定岩层中。 为有效分析沿空掘巷护巷煤柱的宽度，采用极 限平衡理论 [3-5]。该理论基于煤柱的塑性破坏深度、 锚杆的长度，同时考虑到一定的安全系数，进行护 102020 年第 6 期 巷煤柱宽度的分析。其具体原理如图 1 所示。 图 1 沿空掘巷煤柱合理理论计算示意图 沿空掘巷窄煤柱最小合理宽度可由以下公式 计算 123 0 0 1 01 0 0 tan ln 2tan tan Bxxx C K H M x Cp γ ϕλ ϕ ϕλ       （1） 式中 B- 煤柱最小合理宽度留设范围，m； x1- 煤柱位于相邻采空区侧的破碎区长度，m； x2- 锚杆的有效长度，m； x3-安全系数， 缓倾斜煤层按 （0.25～0.35） （x1 x2）； M- 煤层厚度，m； λ- 侧压系数； φ0- 煤层内摩擦角，； C0- 煤层内聚力大小，MPa； K- 应力集中系数； γ- 煤岩层平均容重，一般取 25kN/m； H- 巷道平均埋深，m； P1- 支护体对煤帮的支护阻力。 根据伊田煤业 11煤层岩石力学参数及 2202 工 作面参数取 M5.17m，λ0.75，K2，γ25kN/m， H300m，φ015，p10，C03MPa，x22.0m。基 于上述数据能够计算出 x16.2m，则沿空掘巷合理 的护巷煤柱宽度 B10.25 ～ 11.07m。 2.2 数值模拟分析 在 2202 工 作 面 回 风 巷 沿 空 掘 巷 护 巷 煤 柱 宽度理论计算结果的基础上，根据 20109 工作 面回风巷围岩物理力学性质参数及矿井地质资 料，建立 FLAC3D数值计算模型。模型尺寸设为 150m120m50m，对模型底面进行固定，并限制 其侧面在水平方向的运动，模型顶面施加工作面覆 岩载荷 7.5MPa，水平侧压系数取 1。 （1）垂直应力分布 在进行不同煤柱宽度垂直应力分布分析时，分 别留设 6m、 8m、 10m、 12m 煤柱。根据数值模拟 结果，得出不同煤柱留设宽度时，窄煤柱围岩垂直 应力分布规律如图 2 所示。 （a）煤柱 6m （b）煤柱 8m （c）煤柱 6m （d）煤柱 8m 图 2 不同煤柱宽度下围岩垂直应力分布图 分析图 2 可知，当煤柱宽度为 6m 时，巷道顶 底板应力水平较低，应力集中程度低；当煤柱宽度 为 812m 时，巷道顶底板围岩应力显著增大，且形 成的应力等值线圈随着煤柱宽度的增大呈现迥异的 分布特征；煤柱宽度大于 8m 时，其内部应力水平 较高，该煤柱内部的应力集中系数大于实体煤帮， 此时的煤柱对顶板结构的稳定性具有重要的意义。 （2）围岩位移量 在进行不同煤柱宽度沿空巷道围岩变形量的分 析时，分别留设 3m、4m、5m、6m、8m、10m、 12m 煤柱，根据数值模拟结果能够得出如图 3 所示 结果。 图 3 不同煤柱宽度下围岩位移量曲线 分析图3可知， 当煤柱宽度由 3m 增加到 6m 时， 巷道顶板下沉量由 127.4mm 逐渐减小至 89.7mm， 减小幅度 42.3。当煤柱宽度在 612m 范围内时， 112020 年第 6 期 煤柱宽度大于 6m 后，顶板下沉量增加幅度明显放 缓且逐渐趋于稳定，巷道底鼓量变化不是特别明显， 窄煤柱帮变形量随着煤柱宽度的增加，呈现出先急 剧增大迅速减小缓慢增长趋于稳定的趋势， 实体煤帮变形量的主要变化趋势是当煤柱宽度超 过 8m 时，有缓慢增长的趋势。 综合上述理论分析与数值模拟分析结果，结合 2202 工作面的具体地质条件，最终确定 2202 工作 面回风巷沿空掘巷的护巷煤柱宽度为 10.5m。 3 窄煤柱围岩控制技术 3.1 支护方案设计 根据 2202 工作面回风顺槽的地质条件，结合 数值模拟结果进行巷道支护方案的设计 , 巷道永久 支护形式采用锚网索支护。具体支护方案如下 （1）巷道顶板。锚杆采用 Φ202400mm 左 旋无纵肋螺纹钢锚杆，每孔采用两支锚固剂，1 支 MSK2335 药卷，1 支 MSZ2360 药卷。锚杆锚预紧 力 300Nm，采用 15015010mm 金属托盘。顶锚 杆 5 根，间排距为 9001000mm，顶角锚杆与顶部 75打设。 锚 索 采 用 规 格 为 Φ18.97300mm 的 17 钢绞线，锚固方式每孔采用 2 支 MSZ2360 药 卷、1 支 MSK2335 药 卷， 预 应 力 200kN， 采 用 30030016mm 高强度可调心托盘，每排一根， 排距 3000mm。 （2）煤柱帮支护。锚杆采用 Φ202000mm 左旋无纵肋螺纹钢锚杆，每孔采用两支锚固剂，1 支 MSK2335 药卷，1 支 MSZ2360 药卷，锚杆锚预 紧力 300Nm，采用 15015010mm 金属托盘。帮 锚杆 4 根，间排距为 9001000mm，顶底角锚杆与 帮部 75打设。 （3）回采帮支护。锚杆采用 Φ202000mm 玻璃钢锚杆，每孔采用两支锚固剂，1 支 MSK2335 药卷，1 支 MSZ2360 药卷。锚杆锚预紧力 50Nm， 每排 4 根，间排距为 8001000mm，顶底角锚杆与 帮部 75打设。 网片规格铺设 10铁丝经纬网，顶网片规格 50001000mm，网片搭接长度为 100mm，采用 16 铅丝联结，钢筋托梁采用 Φ14mm 钢筋单筋焊接而 成。具体支护方案如图 4 所示。 3.2 效果分析 为有效分析 2202 工作面回风巷在 10.5m 护巷 煤柱宽度和现有支护方案的围岩控制效果，在沿空 掘巷期间，进行巷道围岩的表面位移量监测。根据 监测结果得出沿空掘巷后围岩变形量曲线图 5。 图 4 2202 工作面回风巷支护断面图 图 5 沿空掘巷后围岩变形量曲线图 分析图 5 可知，巷道掘出后，随着时间的增长， 巷道顶底板及两帮移近量出现逐渐增大的趋势。顶 底板及两帮的变形量主要发生在巷道掘出后的 15d 内，该期间内顶底板移近量的变形速率为 2.67mm/ d，两帮移近量的变形速率为 6.67mm/d。当巷道掘 出 15d 后，巷道围岩的变形量增长很小，仅在很小 的范围内变动，这即表明此时巷道围岩基本达到稳 定状态。最终顶底板的最大移近量为 82mm，两帮 的最大移近量为 144mm。 4 结论 根据 2202 工作面回风巷的地质条件，通过沿 空掘巷护巷煤柱合理宽度的理论分析与数值模拟分 析，确定煤柱宽度为 10.5m，并对该护巷煤柱宽度 下的支护方案进行具体设计。通过巷道掘出后的巷 道表面位移监测得出，顶底板及两帮最大移近量分 别为 82mm 和 144mm，保障了巷道围岩的稳定，有 效提高了煤炭采出率。 （下转第 14 页） 142020 年第 6 期 【参考文献】 ［1］ 王德超，王永军，王琦，等 . 深井综放沿空掘巷 围岩应力特征模型试验研究 [J]. 采矿与安全工程 学报，2019，36（05）932-940. ［2］ 杨肥 . 羊场湾煤矿小煤柱沿空掘巷稳定性分析及 控制技术研究 [D]. 西安科技大学，2019. ［3］ 张文龙 . 沿空掘巷窄煤柱应力及围岩变形规律数 值模拟研究 [J]. 煤炭与化工，2019，42（02） 42-45. ［4］ 翟文立，王其杰，李涛，等 . 高强高预紧力锚网 支护技术在深部矿井沿空掘巷中的应用 [J]. 煤矿 安全，2018，49（12）79-82. ［5］ 王朋飞，冯国瑞，赵景礼，等 . 长壁工作面巷顶 沿空掘巷围岩应力分析 [J]. 岩土力学，2018，39 （09）3395-3405. 帮 0.8m，平行设置两排支柱。靠近回采侧的支柱 直径 1.2m，另一侧支柱直径 1.1m。联络巷口设 3 排共计 14 个直径 1.2m 的支柱，横川口设 28 个直 径 1.2m 的支柱、24 个直径 1.1m 的支柱，排间距是 1m1m。图 6 为联络巷支柱示意图。 图 5 对接切眼空巷支柱示意图 图 6 联络巷充填支柱示意图 2.3 锚索工字钢补强 用锚索吊挂工字钢的支护形式对 53141 巷及 53146 巷顶板进行支护补强，即采用 4-3-4 锚索布置 代替原来的 2-1-2 布置。补强施工所采用的工字钢 长 3m。在工作面侧按 1-0-1 打设一排锁口锚索对接 切眼顶板进行补强，即采用 8-7-8 取代原来的 5-4-5， 工字钢长也是 3m。 3 效果 在实际开采推进过程中有效控制了空巷变形 量，在距离煤壁 10m 以外的范围，最大底臌和帮臌 变形量均为 0.5m，压力得到释放，有效地保证了 顶板及煤体的支护强度。在通过 660m 空巷时的推 进速度和正常推进速度几乎一样，平均推进速度为 220m 每月。每月煤炭开采量稳定保持在 50 万 t， 推进速度和开采量都得到了很好的保障。由于煤体 顶板得到了很好的控制，压溜事故和顶板塌落现象 大幅减小，保证了推进过程中机电设备的平稳性， 进一步确保推进正常进行和安全生产。 【参考文献】 ［1］ 姜 波 . 综 采 技 术 的 应 用 研 究 [J]. 山 西 冶 金， 2019，42（05）130-131. ［2］ 刘海军 . 大采高工作面刮板输送机的研究与应用 [J]. 煤矿机械，2016，37（12）53-54. ［3］ 王世众 . 大采高综采工作面支架工作状态核定 [J]. 内蒙古煤炭经济，2014（12）96130. ［4］ 高海涛，唐英政，张庆林 . 大采高综采工作面边 采边缩面工艺实践 [J]. 内蒙古煤炭经济，2013 （11）98105. （上接第11页）