煤与瓦斯突出矿井沿空掘巷布置及优化研究.pdf

2020 年 19 期工艺创新 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 煤与瓦斯突出矿井沿空掘巷布置及优化研究 郭宇 （华晋焦煤有限责任公司沙曲一号煤矿， 山西 柳林 033300） 沿空掘巷巷道的布置形式， 可分为完全沿空掘巷、 留窄煤 柱沿空掘巷、 留较宽煤柱沿空掘巷和原位沿空掘巷等[1]。在沿 空掘巷技术的发展过程中，锚杆支护的应用为沿空掘巷的普 及做出了巨大的贡献[2]。 对岩层结构力学模型、 围岩变形机理、 计算机数值模拟等方面的研究，也为各种形式沿空巷道的布 置打下了坚实的基础。 后来， 人们认识到对于沿空巷道的掘进 时间及掘进位置的确定是影响巷道围岩控制效果的一个重要 因素，并开始注重相关方面的研究。特别是对于留窄煤柱护 巷， 因其不但可以提高回采率， 而且还有利于控制围岩变形， 所以一直是学者研究的重点[3-5]。 现有的研究成果表明， 不同宽 度的窄煤柱对巷道围岩稳定性的影响程度是不一样的，影响 因素主要包含两点 一是影响到巷道围岩的应力环境， 改变了 围岩的应力分布； 二是影响到巷道围岩的变形特征与规律。 国 内外学者为此做了大量的研究工作，并且取得了丰富的理论 成果[7-8]， 但对于一些特殊条件下的沿空掘巷研究还存在理论 研究不够完善、 案例研究不够丰富、 实践相对较少的不足。 如， 对于煤层群沿空巷道的布置和优化、巷道受重复动压影响的 稳定性、 高瓦斯矿井的巷道防漏风问题等的研究还存在不足。 1 工作面概况 沙曲一号煤矿现采 4 号煤深度近 500m， 巷道受地应力、 上区段动压影响、 复杂地质构造等影响， 围岩节理裂隙十分发 育、 松散破碎、 变形剧烈、 破坏范围大， 巷道支护难度大； 4、 5号 煤层间距平均仅为4.5m， 4号煤平均厚度4.2m， 五号煤平均厚 度 3.6m， 属于典型的厚煤层近距离煤层群， 采场开采、 巷道布 置等存在干扰。 4305工作面北面为 4306 采空区， 东距矿界 50m， 南部为 未采区，西侧为原 4305 采空区。现 4305 工作面胶带巷与 4306工作面采空区间的护巷煤柱需要进行确定和优化。 工作 面煤层厚度范围为3.9-4.2m， 平均为 4.1m。 工作面地质构造简 单， 基本呈单斜构造， 煤层倾角为7毅。工作面采用倾斜长壁后 退式采煤法， 综采一次采全高。工作面倾向布置， 走向长度为 174m， 可采平均长度为 396m。工作面煤层较稳定， 局部含泥 岩夹矸， 4煤呈黑色， 玻璃光泽， 结构均一， 内生裂隙发育， 抗 压强度为10.50-14.77MPa。 根据工作面邻近钻孔资料分析， 4 煤层向上距离 2 煤 层平均为 20.0m， 向下距离 5煤层平均为 4.5m， 其中 2 煤平 均厚度为0.8m， 5煤平均厚度为 3.6m。 工作面伪顶不发育， 局 部有厚度为 0.2m 的泥岩， 4 煤层直接顶为灰色中细砂岩， 厚 度为 5.0m 左右， 老顶为 5.5m 左右的粗砂岩， 再上为 9.0m 左 右的黑色泥岩。 4煤层直接底为 2m灰色中砂岩， 有团块状黄 铁矿， 老底为 2.5m 左右的砂质泥岩， 再下为 5 煤层伪顶， 厚 度为 0.6m的炭质泥岩。 2 煤柱宽度计算及优化 结合矿井现有矿压资料，针对 4305 胶带巷护巷煤柱尺 寸提出 5m、 8m 和 15m 三个备选方案，通过数值计算方法进 行方案的优选。 根据 4305 工作面实际地质条件，建立模型尺寸 420m伊 200m伊160m， 单元总数为 457760。其中煤与各岩层的厚度分 别为， 顶板 100m， 煤层 4m， 底板 56m。模型中工作面左侧为 4306工作面采空区长 100m，中间为煤柱和 4305沿空巷道， 巷道尺寸为 4.6m伊4.2m， 4305工作面长 180m，模型上边界施 加边界载荷 p10MPa 以模拟上覆岩层自重， 模型其他三个边 界均为位移约束。 巷道围岩及煤体参数包括密度、 弹性模量、 泊松比、 粘聚 摘要 沿空巷道护巷煤柱尺寸关乎巷道围岩的稳定。 通过数值计算手段， 分析了不同煤柱宽度条件下巷道围岩应力场、 位移场和 塑性区的演化规律， 并用现场试验检验了回采期间煤柱的受力状态和稳定性。研究表明， 煤柱尺寸越小， 煤柱承载能力越低， 巷道塑性 区越大， 采动应力影响下可能导致煤柱塑性区与相邻工作面采空区贯通。 该沿空掘巷布置及优化分析方法和所积累的矿压数据为矿井 下一步推广应用沿空掘巷技术提供了技术保障。 关健词 煤与瓦斯突出； 沿空掘巷； 煤柱； 矿压显现； 数值计算 中图分类号院TD32文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2020冤19-0109-02 Abstract The coal pillar size of roadway protection is related to the stability of roadway surrounding rock. By means of numeri鄄 cal calculation, the evolution rules of stress field, displacement field and plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar widths are analyzed, and the stress state and stability of coal pillar during stoping are tested by field test. The results show that the smaller the coal pillar size is, the lower the bearing capacity of coal pillar is, and the larger the plastic zone of roadway is. The layout, optimization analysis and the accumulated pressure data provide a technical guarantee for the popularization and application of the tunneling technology in the next step. Keywords coal and gas outburst; roadway driving along goaf; coal pillar; underground pressure; numerical calculation 作者简介 郭宇 （1990-） ， 男， 本科， 助理工程师， 研究方向 矿山压力。 109-- 2020 年 19 期工艺创新 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 力、 摩擦角、 剪胀角以及抗拉强度， 如表1所示。 支护参数方面， 锚杆参数为弹性模量 200GPa、 树脂剪切 刚度 1.0伊104MN/m2、 树脂粘结力 1.0MN/m、 抗拉强度 0.16MN， 锚杆截面积 3.84伊10-4m2。锚索参数为弹性模量 200GPa、 树脂 剪切刚度 1.0伊104MN/m2、树脂粘结力 2.3MN/m、抗拉强度 0.16MN， 锚索截面积 3.73伊10-4m2。 结合矿井实际地质条件， 模拟回采巷道在掘进和回采阶 段巷道表面位移、围岩塑性区以及工作面区域应力场的变化 情况， 根据数值模拟的计算结果分析巷道支护效果， 进一步优 化巷道支护设计。 3 回采阶段不同煤柱宽度下的围岩变形特征 （1） 回采阶段巷道应力场分布。4305工作面开采时工作 面前方以及两侧形成应力集中区， 受应力集中区影响， 巷道发 生变形和破坏， 分析工作面回采时超前巷道区域应力得出， 随 着煤柱宽度逐渐减小， 煤柱应力集中程度逐渐增大， 峰值系数 由1.53增大至2.49， 峰值区域不断靠近巷道位置， 对巷道造成 挤压。其中煤柱宽度5m， 巷道应力峰值距巷道左帮 2m， 煤柱 宽度 8m 和 15m， 巷道应力峰值距巷道左帮 5m。巷道回采过 程中煤柱宽度越小， 受到的应力集中影响越明显， 但是在煤柱 8m 时应力集中系数和范围与煤柱 15m 相比较， 变化较小， 应 力集中系数分别为 1.8和 1.5， 峰值位置靠近4305工作面。（2） 回采阶段巷道塑性区分布。 巷道围岩塑性区的发展状况， 是巷 道变形破坏的决定因素， 也是支护成功与否的关键因素， 为了 便于说明问题，断面为研究对象，该断面围岩塑性区最终形 态， 分析后得出煤柱宽度5m， 巷道塑性区扩展， 顶部最大值约 4m， 底部最大值约 1.5m， 两帮最大值约 4m， 煤柱塑形区域与 4306工作面采空区贯通， 煤柱失去承载能力。煤柱宽度 8m， 巷道塑性区顶部位置最大值约 0.5m，底部最大值约 1.5m， 两 帮最大值约4m， 煤柱中间仍保持弹性状态。 煤柱宽度 15m， 巷 道塑性区在巷道顶部最大值约 1m， 底部最大值约 1.5m， 两帮 最大值约 3m， 煤柱保持稳定性， 巷道保存稳定。 煤柱宽度 5m， 巷道塑性区较大， 回采阶段煤柱塑形区域 与 4306 工作面采空区贯通， 失去承载能力， 导致巷道产生大 变形， 不利于巷道稳定； 煤柱宽度 8m， 巷道在回采阶段塑形向 4306 采空区扩展， 煤柱中间仍保持弹性状态， 巷道变形量能 够控制。煤柱宽度 15m， 巷道塑性区最小， 巷道在回采阶段变 形量最小， 稳定性最好。 综合以上分析， 巷道掘进期间， 煤柱宽度效应对巷道变形 影响较小， 掘进过程中巷道变形量可控， 但煤柱区域应力和塑 形区范围随煤柱变窄而增大， 尤其在留设煤柱 5m 时， 煤柱塑 形区贯通 4306采空区不利于巷道稳定。 回采阶段， 留设的5m 煤柱完全破坏， 失去承载能力， 导致巷道产生大变形， 不利于 巷道稳定； 留设煤柱宽度8m， 煤柱中间仍保持弹性状态， 受力 较为均衡， 巷道变形量得到有效控制， 留设煤柱宽度 15m 相 比于留设 5m、 8m 煤柱， 留设煤柱宽度较大， 4306 采空区侧向 应力在煤柱侧应力集中影响较小， 巷道塑性区较小， 巷道在回 采阶段变形量最小， 但是考虑煤炭资源的不可再生， 提高煤炭 资源的回收利用， 4305 工作面沿空掘巷选用 8m 煤柱较为合 理， 可以有效控制巷道变形， 保障工作面安全回采， 同时降低 煤炭资源的浪费， 提高煤炭资源回收率。 4 煤柱受力性能现场试验 在巷道内设置了 3 个煤柱应力监测站， 利用钻孔应力分 别监测深度为1m、 3m、 5m位置的应力变化。 以 1 测站为例，煤柱 1m 处传感器初始安装应力 1.03MPa， 稳定后为 1.09MPa； 煤柱 3m处传感器初始安装应力 0.62MPa， 稳定后为 0.48MPa； 煤柱 5m处传感器初始安装应力 1.37MPa， 稳定后为 1.98MPa。通过上述各个测点数据的变化 可以看出， 5m测点位置压力变化比较明显，可以认为该处为 煤柱内的应力集中峰值区域。 回采期间煤柱支承压力监测发现， 工作面超前影响距离 约 30m， 测点压力变化浮动较小， 总体呈下降趋势， 最大应力 值小于 3MPa， 煤柱处于稳定状态。 5 结束语 （1） 针对煤与瓦斯突出矿井， 沿空掘巷护巷煤柱宽度的确 定应遵循有利于巷道围岩稳定、有利于下层煤巷道的矿压管 理、 提高回采率、 保证巷道密闭性的原则。 （2） 分析了 4305工 作面与 4306 采空区留设 5m、 8m、 15m 煤柱对应工作面巷道 掘进及回采期间的变形及破坏规律，通过分析不同煤柱宽度 下的垂直应力、 巷道变形量以及塑性区的分布， 认为选用 8m 煤柱较为合理。 （3） 巷道掘进和工作面回采期间的煤柱应力监 测结果显示， 4-5m区域为煤柱内的应力集中区域，巷道掘进 对煤柱的扰动较小， 回采期间煤柱应力总体呈下降趋势， 最大 应力值小于3MPa， 煤柱性能稳定。 参考文献院 [1]王德超， 李术才， 王琦， 等.深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度 试验研究[J].岩石力学与工程学报， 2014， 33 （03） 539-548. 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