庞庞塔煤矿9-301工作面护巷煤柱宽度及控制技术研究.pdf

煤炭与化工 Co a l a n d Ch emica l In d ust r y 第43卷第6期 2020年6月 Vo l .43 No .6 Jun . 2020 采矿与井巷工程 庞庞塔煤矿9-301工作面护巷煤柱宽度及控制技术研究 韩伟 （霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西临县033200） 摘 要针对庞庞塔煤矿9-301 X作面护巷煤柱留设尺寸问题，分析了煤柱失稳的临界宽度, 并通过数值模拟分析不同宽度条件下的塑性区范围和垂直应力值，得到22m宽护巷煤柱可满足 回采期间巷道的稳定性。实践表明，采用锚网索钢梯筋子梁钢带的联合支护方式，减小了 沿空巷道围岩的移近量，提高了沿空巷道围岩的整体稳定性，通过现场实测可满足设计要求。 关键词护巷煤柱；临界宽度；围岩稳定 中图分类号TD353 文献标识码B 文章编号2095-5979（ 2020）06-0016-04 Study on the width and control technology of 9-301 coal pillar in Pangpangta Mine Ha n Wei Pangpangt a Mine, Huozhou Coal and Power Group Lvl in Energy Chemical Corporat ion Lt d., Lvl iang 033200, China Abst r a ct Th e wid t h o f t h e co a l co l umn in st a bil it y wa s a n a l yzed fo r t h e pr o bl em o f co a l co l umn st a y size in t h e 9301 wo r k fa ce. Simul a t io n a n a l ysis o f t h e pl a st icit y zo n e a n d ver t ica l st r ess va l ues fo r d iffer en t wid t h s, a n d t h e 22 m wid e co l l umn ca n meet t h e r equir emen t s o f t h e co a l co l umn d ur in g t h e r eco ver y per io d , en sur e t h e st a bil it y o f t h e r o a d wa y. Pr a ct ice sh o wed t h a t t h e use o f a n ch o r ca bl e st eel l a d d er ba r bea ms st eel bel t jo in t suppo r t met h o d , r ed uced t h e a mo un t o f mig r a t io n a l o n g t h e empt y r o a d wa y sur r o un d in g r o ck , impr o ved t h e st a bil it y o f t h e r o a d wa y. Th e o ver a l l st a bil it y o f t h e sur r o un d in g r o ck s a l o n g t h e empt y r o a d wa y ca n meet t h e d esig n r equir emen t s t h r o ug h o n -sit e mea sur emen t s. Key Wo r d s co a l pil l a r , cr it ica l wid t h , per imet er r o ck st a bil it y 1概 况 庞庞塔煤矿9-301工作面北部为暗斜井，南部 为煤矿井田边界，西部为9-103工作面（已采完）， 东部为9-700工作面。9-301工作面所采9号煤 层，平均深度-850 -700 m;直接顶是57m泥 质灰岩，老顶是69m砂质泥岩；宜接底是12 m泥岩，老底是1 3m细粒砂岩。9-301工作面 倾向长度247 m,走向长度1 327 m,沿空巷高度 4.0 m,宽度6.2 m,使用综合放顶煤开采工艺。 2 9-301工作面护巷煤柱尺寸 2.1护巷煤柱失稳临界宽度 护巷煤柱尺寸宜接影响沿空巷的稳定性，如果 在采空区侧和巷道一侧形成的塑性变形区宽度之和 超过护巷煤柱的尺寸，压力传递会使工作面相邻巷 道发生失稳现象叫随着上覆岩层运动，周边载荷 增加，锚杆的锚固作用弱化，导致巷道承载能力下 降。按照极限平衡理论建立图］的计算模型，利用 理论公式得到煤柱采空区侧和沿空巷侧塑性区的宽 度Z］和l ie -曲⑴ j _ a/2/i （l -3a） s_____K了hCcot _______ 2 “加（13。） 津傀 g 普（2） l 3a x 屮 l -3a ,k V 3sin2 p V 3sin2 p 责任编辑任伟 DOI 10.19286/ k i.cci.2020.06.005 作者简介韩伟（1983-）,男，山西临汾人，采矿工程师。 引用格式韩 伟庞庞塔煤矿9-301工作面护巷煤柱宽度及控制技术研究［J］.煤炭与化工，2020, 43 （ 6） 16 - 19. 16 韩 伟庞庞塔煤矿9-301工作面护巷煤柱宽度及控制技术研究2020年第6期 式中“为煤层的回采高度；C为煤的黏聚力； 为内摩擦角；7为煤岩重度；a、k为Mises准贝j系数。 为确保护巷煤柱的充分稳定，常在煤柱破坏 后，在中部留有一定宽度的弹性核区厶，其计算过 程为 b B-TN2N （4） 式中T为煤柱失稳的临界宽度；B为沿空护巷煤 柱宽度。 联立式（1） 式（4 ）,计算得到护巷煤柱 失稳的临界宽度 Zi 12 Z3 20.64 m 考虑到9-301工作面埋深大，部分区域处于高 应力环境，故安全系数取1.05,经综合分析，护巷 煤柱的安全尺寸可取21.5 m。 9-103采空区 厶 l3 Z2沿空巷9-301工作面 -----M------------ ---------------PW----- -----H----- -----M 图1留设煤柱宽度计算 Fig . 1 Ca l cul a t io n o f wid t h o f co a l pil l a r 2.2护巷煤柱安全稳定宽度 根据关键层理论，当上部采区回采后，老顶断 裂形成三角块较接结构，关键块B对沿空留巷的 稳定性起到决定性作用。当老顶断裂后上覆岩层的 载荷分布于断裂线的两侧，形成应力降低区和应力 增高区，分别为A和S2,应力降低区的支撑压 力由关键块B的自重决定，建立图2所示的沿空 巷力学模型。 9-103采空区 图2沿空巷力学模型 Fig . 2 Mech a n ica l mo d el o f g o a f r o a d wa y 应力降低区屍的上覆载荷F F等于老顶岩梁自 重，根据弹性力学将老顶视作两端固定的固支梁, 其自重仞和初次来压步距6为 w yq bhi 联系式（5）和（6）得到 W 2 abhl （5） 6 7 应力降低区屍的上覆载荷F F为 F[哄绊区 （8） 联系式（7）和（8）得到应力降低区S的 范围为 为确保应力降低区的稳定，根据9_301工作面 基本力学参数，通过计算得到的宽度为29.4 mo 因沿空巷的宽度为6.4 m,煤柱的宽度与沿空巷的 宽度之和应小于应力降低区宽度，综合分析后，确 定庞庞塔煤矿9-301综放工作面的护巷煤柱留设宽 度取 21.5 23 mo 3 9-301工作面沿空护巷煤柱数值模拟 3.1 FLAC3D数值模拟模型建立 根据9-301工作面参数，建立长宽高分别为 250、130、88 m的数值模型。通过简化上覆岩层 载荷，计算出施加在FLAC3D模型上部边界的应力 为150 MPa。由于巷道断面尺寸较大，选取多个煤 柱宽度，分别为12、16、20、22、25、30 m,通 过数值分析多参数下沿空护巷煤柱宽度塑性区变化 和煤柱应力变化，综合考虑沿空护巷煤柱的合理参 数，具体参数见表l o 表1煤岩力学参数 Ta bl e 1 Mech a n ica l pa r a met er s o f co a l a n d r o ck 岩石弹性模量 /GPa 泊松比抗拉强度 /MPa 抗压强度 /MPa 内聚力 ZMPa 砂质泥岩 21.970.222.4432.045.20 泥质灰岩 14.450.252.373.754.78 灰质泥岩 11.580.272.5638.474.37 煤层 15.380.521.7614.222.37 泥岩 23.250.192.5716.755.14 细粒砂岩 25.420.387.4452.3110.56 3.2沿空护巷煤柱宽度模拟结果 由于塑性区及中间弹性区的宽度之和直接决定 着护巷煤柱的大小，而巷道周边由于工作面的回采 作用导致护巷煤柱两侧发生塑性变形叫因此，根 17 2020年第6期 煤炭与化工 第43卷 据模拟塑性区的发育情况，可确定回采作用下护巷 B20 m B22 m B25 m B30 m 图3沿空护巷煤柱塑性区模拟特征 Fig . 3 Simul a t io n ch a r a ct er ist ics o f pl a st ic zo n e o f co a l pil l a r a l o n g g o a f r o a d wa y 从图3可以看出，在煤柱宽度较窄情况下，护 巷煤柱两侧的塑性区很快贯通，主要是因为上覆载 荷压力远大于煤柱承载能力。当煤柱宽度逐渐增 大,弹性核区开始显现，护巷煤柱的稳定性开始增 强。当煤柱宽度增加到22 m时，煤柱两侧塑性区 范围慢慢缩小，弹性核区逐渐增加，沿空巷道的变 形得到有效控制。当护巷煤柱宽度为25 m和30 m 时，塑性发育区的影响范围不足以导致巷道变形。 不同参数情况下护巷煤柱的垂直应力情况如图4 所示。 30 25 20 15 10 5 0 12 m宽煤柱 16 m宽篠柱 -20 m宽煤柱 -22 m宽煤柱 25 m宽廡柱 30 m宽煤柱 5 10 15 20 25 30 图4沿空护巷煤柱的垂直应力分布 Fig . 4 Ver t ica l st r ess d ist r ibut io n o f co a l pil l a r s a l o n g g o a f r o a d wa y 从图4可以看出，护巷煤柱宽度为12 m时的 垂直应力是3.8 MPa ,同时应力集中系数为1.2;当 护巷煤柱宽度为16 m时，煤柱的垂直应力逐渐增 强，巷道的上覆载荷得到转移，巷道稳定性逐渐增 强；当煤柱宽度为20 m时，护巷煤柱垂直应力逐 渐达到应力峰值26 MPa ,应力集中系数为2.2;当 煤柱宽度达到22 m时，应力峰值为28 MPa ,并出 现下降趋势，应力集中系数为2.3,煤柱开始趋于 稳定。综上所述，22 m宽护巷煤柱可满足回采期 间巷道的稳定性，且有利于改善煤柱应力状态。 4 9-301综放工作面沿空巷围岩控制技术 当护巷煤柱为22 m时，根据9-301综放工作 面沿空巷的地质条件，设计巷道断面为6 200 mm x 4 000 mm的支护方案,如图5所示o 图5支护方案 Fig . 5 Suppo r t pl a n 9-301综放工作面沿空巷为微拱形断面，支护 采取钢筋梯子梁锚杆钢带锚索联合的方式。 顶板的锚索按“4-3”方式，布置在顶板M5钢带 上的锚杆孔内，相应的顶板锚杆按“3_4”方式布 置，顶板锚索长度为8 300 mm,直径为21.6 mm, 顶板的锚杆长度为2 500 mm,直径为22 mm,间 排距为 850 mm X 900 mm。 巷道帮部的锚杆长度为2 500 mm,直径为22 mm,间排距为750 mm X 900 mm;在煤柱的侧边打 长度4 800 mm、直径21.6 mm的锚索，注浆加固, 提高煤柱的抗失稳能力；巷道帮部水平槽钢组合锚 索，实体煤帮部布置1排水平槽钢组合锚索，与锚 索联合作为加强支护，搭配菱形金属网。 5 9-301工作面沿空巷现场实测及分析 为得到9-301工作面沿空护巷煤柱宽度22 m 条件下的巷道稳定性，采用十字布点法安设测站, 观测结果如图6所示。 从图6中可以看出，在工作面回采过程中，沿 空巷的表面变形速率开始加快，同时顶底板的移进 量也在增加。与煤壁距离在60-80 m时，两帮移 18 韩 伟庞庞塔煤矿9-301工作面护巷煤柱宽度及控制技术研究2020年第6期 进量为260 mm,顶底板移进量为200 mm,两帮和 顶底板移进量变形速率最大，巷道底板变形严重。 根据现场实测，在距离煤壁35 m时变形量最大, 沿空巷两帮移进量最大为340 mm,底鼓最大变形 量为220 mm,两帮累计变形量是顶底板移进量的 1.54倍，9-301工作面矿压显现不明显，变形量符 合安全生产的需求。 图6沿空巷围岩累计移近量曲线 Fig . 6 Cur ve o f cumul a t ive sur r o un d in g r o ck mo vemen t a l o n g g o a f r o a d wa y 6结论 （1）运用极限平衡理论，综合地质分析，得 到9-301工作面护巷煤柱留设为21.5 23 mo通过 数值分析不同宽度条件下护巷煤柱塑性区发育情 况，及沿空巷周边垂直应力分布情况，得到合理留 设宽度为22 m。 （2） 采取钢筋梯子梁锚杆钢带锚索加 强联合支护的方式，顶板的锚索按“4-3”方式， 布置在顶板M5钢带上的锚杆孔内，相应的顶板锚 杆按“3-4”方式布置，对9-301工作面沿空巷支 护效果较好。 （3） 通过现场实际测量，护巷煤柱留设宽度 为22 m时，巷道顶底板及两帮变形量为220 mm、 340 mm, 9-301工作面矿压显现不明显，现场实 测与模拟分析相符，变形量符合安全生产需求。 参考文献 [1] 崔小欢.沿空掘巷窄煤柱宽度数值模拟研究[J].煤，2018, 27 （10） 12-14. [2] 康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应用 [J].煤炭学报,2010, 35 （ 11 ） 1 809 - 1 814. [3] 周平，蒋军军，林来彬，等.特厚煤层回采巷道大变形及 采动应力场分析[J].煤矿安全，2016 , 47（2） 208 - 211. [4] 李国峰，蔡健，郭志飕.深部软岩巷道锚注支护技术研究 与应用[J].煤炭科学技术，2007 , 35 （ 4） 48-50. [5] 王小国，刘国庆，丁德才.孤岛工作面小煤柱沿空掘巷施工 技术优化与实践[J].能源与环保，2018, 40（4） 199- 204. （上接第15页） 由于受到空巷区域的影响，基本顶的周期来压 现象并不明显，液压支架的高工作阻力主要出现在 进入空巷间煤柱区域。在9 m空巷煤柱宽度下，工 作面推进至距离空巷2m的位置处，顶板出现初次 来压现象，来压强度为2 582 k N,来压步距为38 m,在工作面推进至空巷中间煤柱区域时，工作面 出现周期来压现象，支架的工作阻力为2 916.35 k N、1 889 k N,来压步距平均为13 m,工作面在推 进空巷区域时，支架的最大工作阻力出现在初次来 压时期，最大工作阻力为2 582 k N,支架额定工作 阻力为2 800 k N,仍存在着7.8的富裕系数。在 工作面回采期间，通过现场观测可知，推进过空巷 区域时，支架无压架现象，煤壁片帮现象较少，工 作面顺利通过了空巷区域。 4结语 根据3218工作面及空巷区域的具体地质条件， 分析了工作面过空巷区域时，工作面应力的分布规 律和塑性区的分布特征，得出过空巷区域影响基本 顶破断的主要因素为煤柱的让压变形和空巷宽度， 煤柱内塑性屈服破坏比例会随着空巷宽度的减小、 煤柱宽度的增大而逐渐减小，采用单体柱木垛支 护过空巷，钢纤撞楔法过冒落区，保障了工作面顺 利通过空巷区域。 参考文献 [1] 李俊堂.工作面过空巷充填开采支护研究[J].采矿技术， 2019, 19（5） 16-19. [2] 徐青云，宁掌玄，朱润生，等.综放工作面充填过空巷顶板 失稳机理及控顶研究[J].采矿与安全工程学报，2019, 36 （3） 505-512. [3 ] 鲁伟杰.阳煤一矿综采工作面过空巷围岩稳定原理及充填参 数研究[D].徐州中国矿业大学，2017. [4] 金洋.浅埋煤层过空巷覆岩运移规律的离散元数值模拟[D ]. 太原太原理工大学，2017. 19