浅埋煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度探讨
时间：2023-04-18 14:15:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孟 瑞
（国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）
浅埋深、薄基岩、上覆厚松散风积沙是神东各矿当前开采煤层最为典型的赋存特征[1]。为实现高产高效目的，神东各矿在浅埋煤层条件下掘进大断面、超长距离回采巷道。然而，大断面、超长距离回采巷道需面临巷道维护成本高，维护距离长，且双巷掘进留设大煤柱造成煤炭资源浪费等问题。但随着支护理论和技术的快速发展，窄煤柱沿空掘巷能够有效地解决上述问题。
合理窄煤柱宽度是留巷成功的关键，煤柱尺寸过大，煤炭资源损失严重，且煤柱处于侧向支承压力带影响范围内。煤柱尺寸窄小，煤柱的稳定性差，承载能力低，且巷道的维护难度也增加。以神东乌兰木伦煤矿1-2煤三盘区12306工作面的回采巷道为背景，运用理论计算和数值模拟等方法，科学、合理地确定窄煤柱尺寸，在工程实际和安全生产上具有重大的意义。
巷道位于神东乌兰木伦煤矿1-2煤三盘区，为12306工作面的回采巷道。1-2煤层平均厚度为2.75 m，煤层顶底板均是细粒砂岩且赋存稳定。回采平巷断面为矩形，巷道宽高为5 m和3 m，巷道沿煤层底板掘进。
合理煤柱宽度计算如图1所示。
图1 煤柱宽度计算
式中：X为小煤柱宽度，m；
X1为屈服区宽度，m；
X2为考虑安全系数时的该区宽度，m；
X2=0.15～0.35（X1+X3）；
X3为锚杆有效长度，m。
式中：M为上区段平巷高度；
λ为侧压系数，λ=μ/（1-μ）；
σy1为 煤 柱 的 极 限 强 度，MPa；
φ0为 摩 擦角，°；
γ0为岩层平均体积力，MPa；
C0为黏聚力，MPa；
Px为侧向约束力；
μ为泊松比；
α为煤层的倾角，°。
其中，工作面模拟参数σy1=7.541 MPa，M=3 m，α=3，μ=0.25，λ=0.33，φ0=21°，C0=2 MPa，γ0=0.025 MPa，Px=0。代入式中X1=0.700 m。
考虑在实际生产过程中开采扰动的影响，导致煤柱屈服区向深部移动，塑性区有所扩展[2]。扰动系数取为1.8,即煤柱塑性区的宽度是1.26 m。X3=1.40 m，得到合理煤柱宽度X=3.0～3.6 m。
数值模拟研究以乌兰木伦煤矿1-2煤三盘区12306工作面为背景，现场煤层赋存稳，层状结构，有参差状断口。煤层直接顶和底板分别为细砂岩和细粒砂岩，普氏系数为2.4～4.3。
建立数值模型尺寸为300 m×135 m，采用摩尔—库伦塑性屈服准则，巷道埋深为124 m，模拟煤层厚度为3 m，直接顶厚度为4 m，基本顶厚度为5 m。模型左右及下边界采用位移法固定，上边界施加垂直载荷。巷道几何尺寸宽高为5 m×3 m，掘巷位置分别距采空区边界留设的煤柱宽度分别为2 m、3 m、4 m、5 m、8 m、10 m。
计算模型如图2所示。
图2 沿空掘巷计算模型
各岩体参数如表1所示。
表1 煤岩体主要力学参数
4.1 掘巷期间煤柱内位移场
巷道掘进期间煤柱内水平位移变化如图3所示。在掘巷期间，巷道内围岩应力重新分布[3]，与上区段回采工作面侧向支承压力叠加使煤柱变形。随着煤柱宽度的逐渐增大煤柱位移逐渐增大，当煤柱达到临界宽度时，位移由大变小。当煤柱宽度一定时，煤柱巷道侧位移比采空区侧位移大。
图3 煤柱内水平位移分布
煤柱向巷道内的水平位移如图4所示。随着煤柱宽度的逐渐增加，位移先增大后减小。当煤柱为2～3 m时，煤柱向巷道位移较小。当煤柱为4 m时，位移达到最大值，为247 mm。煤柱大于4 m时，位移缓慢减小，但均大于2～3 m时位移。
图4 煤柱表面向巷道内位移分布
4.2 巷道掘巷期间两侧应力
通过对6个模型的计算得出留设2 m，3 m，4 m，5 m，8 m，10 m的煤柱时掘巷期间巷道两侧的应力。煤柱宽度不同，实体煤和煤柱内部的应力不断变化。煤柱侧，当宽度为2～3 m时，垂直应力缓慢增大；
煤柱宽度为4 m时，垂直应力急剧变大，数值为3.826 MPa；
煤柱宽度大于4 m时，煤柱垂直应力急剧减小且趋于平稳。巷道实体煤一侧，垂直应力分布在煤柱宽度为2～5 m时缓慢增加，煤柱8 m时应力值最大，然后急剧减小。不同的煤柱宽度与实体煤和煤柱内的垂直应力值如图5所示。
图5 巷道两侧垂直应力分布
4.3 巷道围岩位移与煤柱宽度
煤体边缘在高应力的作用下经常产生不同程度的变形和破坏[4]。在掘巷期间，不同煤柱宽度下巷道围岩变形、巷道顶板及两帮位移曲线如图6所示。可以看出，随着煤柱宽度的逐渐增加顶板下沉量减小，煤柱宽度为2 m时位移最大，为234 mm。随着煤柱宽度的增加，巷道两帮的移近量，先增大后减小，煤柱为4 m时达到最大值248 mm。
根据数值模拟数据分析，选择窄煤柱宽度为2～3 m为最佳尺寸。
图6 巷道顶板及两帮的位移分布
5.1 巷道的支护方案
结合以上研究，12306工作面的回采巷道选用高预应力锚杆和锚索进行支护。锚杆为500#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度和直径分别为2.4 m和20 mm，锚杆间排距为1 000 mm×800 mm。锚杆配钢筋托梁，预紧力不低于40 kN。锚索体为1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，直径为21.6 mm，长度为6.3 m，顶板锚索排距设为2 000 mm，每排布置两根，锚索张拉预紧力不低于120 kN。具体配置及支护参数如图7所示。
5.2 支护效果监测
12306工作面回采巷道采用如图7所示的方案支护，通过在回采巷道内分段布置多个位移测点来分别监测巷道掘进期间和工作面回采期间围岩的变形情况，监测到具体数据如图8所示的曲线，此位移测点在距开切眼500 m的位置。
图7 窄煤柱试验巷道锚杆（索）布置及支护设计
图8 围岩表面位移监测曲线
由图8可知，回采巷道在掘进后30 d内围岩位移量在增加，在30 d后，位移量维持在100 mm左右，趋于稳定。工作面在回采时，距离工作面30～40 m的地方，围岩的位移量开始了显著增加，到最后顶底板是变形量最小的，其次是工作面侧帮，煤柱侧帮是变形量最大的。由此看来，围岩虽有一定变形，但都在允许范围之内，故巷道的支护效果较好。
1）沿空巷道的小变形量和煤柱稳定的关键就在于留设合理的窄煤柱。针对神东乌兰木伦煤矿1-2煤三盘区12306工作面的回采巷道，通过理论计算得出合理的窄煤柱宽度为3.0～3.6 m、通过数值模拟得出窄煤柱宽度在2～3 m范围内时，巷道的变形量较小，用这两种方法来确定的窄煤柱的宽度是一致的；
该矿最终确定窄煤柱宽度为3 m。
2）通过该矿12306工作面回采巷道现场实践，从巷道表面位移监测曲线来看，当窄煤柱的合理宽度为3 m时，巷道支护效果良好；
从而保证了巷道掘进和回采期间回采巷道的围岩的稳定性与安全性。
