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672020 年第 9 期 张文强特厚煤层综放工作面护巷煤柱留设尺寸研究 特厚煤层综放工作面护巷煤柱留设尺寸研究 张文强 阳煤世德孙家沟煤矿，山西 忻州 036600 摘 要 本文以孙家沟煤矿 13313 特厚煤层综放工作面为背景，通过采空区侧向“内应力场”支承压力分布特征和护巷煤 柱极限平衡理论确定合理的护巷煤柱尺寸范围为 7.710.9 m；基于 FLAC3D数值模拟得出了最佳护巷煤柱宽度为 9 m。通过 现场观测，巷道顶煤和两帮最大变形量为 93 mm 和 146 mm，说明留设 9 m 宽的护巷煤柱能够有效保证沿空巷道围岩的稳定。 关键词 综放 沿空 煤柱 尺寸 中图分类号 TD822.3 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.09.025 Study on the Dimension of Coal Pillar Retaining in Fully Mechanized Coal Face Protected Roadway in Special Thick Coal Seam Zhang Wenqiang Yangmei Shide Sunjiagou Coal Mine, Shanxi Xinzhou 036600 Abstract Taking the fully mechanized caving face of 13313 extra thick coal seam in Sunjiagou Coal Mine as the background, through the distribution characteristics of lateral “internal stress field“ abutment pressure in goaf and limit equilibrium theory of roadway protection pillar, the reasonable size range of roadway pillar is 7.7 10.9 m; based on FLAC3D numerical simulation, the optimal width of roadway protection pillar is 9 m. Through field observation, the maximum deation of top coal and two sides of roadway is 93 mm and 146 mm, which indicates that the stability of surrounding rock of roadway along goaf can be effectively ensured by retaining 9 m wide coal pillar. Key words fully mechanized top coal caving along gob area coal pillar size 收稿日期 2020-03-18 作者简介 张文强（1992），男，山西运城人，2015 年 6 月毕 业于辽宁工程技术大学，采矿工程专业，本科，采煤助理工程师， 现在山西阳煤世德孙家沟煤矿从事掘进技术员工作。 近年来，随着我国煤矿企业大力倡导安全高效 绿色生产理念，沿空掘巷窄煤柱开采技术取得了显 著成效。不同于沿空留巷的充填墙工艺，沿空掘巷 需要在采空区侧留设护巷煤柱，以保证巷道的整体 稳定性及隔绝采空区 [1-2]。 由于沿空掘巷临近采空区， 巷道处于采空区侧向支承压力下方，因此护巷煤柱 留宽不仅关系到采区煤炭资源回收率，也会影响巷 道围岩的应力环境 [3]。本文以 13313 工作面为工程 背景，研究特厚煤层综放工作面护巷煤柱的合理留 设宽度。 1 工程背景 山西世德孙家沟煤矿 13313 工作面位于 13 煤层水平三采区，工作面标高 778.4831.8 m，可 采走向长度 倾斜长度为 1361 m210 m，埋深 243.2296.6 m。工作面北部为原同保矿准备巷，南 部为 13煤北回风巷，西部为尚未开采的 13煤层， 东部为 13311 综采工作面采空区。工作面采用综采 放顶煤法，沿煤层底板走向布置有“一进一回”两 条巷道，其中沿空掘巷工艺施工的回风顺槽临近 13311 综放面采空区，顺槽尺寸 4.6 m3.3 m，顶 板采用锚网索带 钢筋托梁联合支护，煤柱帮采用 锚索 金属网 螺纹钢锚杆联合支护。回风顺槽断 面支护如图 1 所示，工作面顶底板岩性及力学性质 见表 1 所示。 图 1 沿空巷道断面支护方式 张文强特厚煤层综放工作面护巷煤柱留设尺寸研究 682020 年第 9 期 表 1 岩石力学性质表 煤岩性 厚度 /m 密度 /（g/cm3） 抗拉强度 /MPa 抗压强度 /MPa 弹性模量 /GPa 内聚力 C/MPa 内摩擦角 φ/（） 泊松比 砂质泥岩12.22.293.1252.647.54.9036.60.20 泥岩3.31.891.2530.218.77.5434.50.24 13煤13.31.60.74.98.90.7232.80.29 砂质泥岩3.12.293.1252.647.54.9036.60.20 黑色泥岩3.42.111.3535.220.68.2435.30.22 2 合理煤柱宽度计算 为使沿空掘巷围岩处于低应力环境中，根据上 区段采空区侧向支承压力的分布形式，巷道应尽量 靠近采空区，这样可使巷道处于支承压力降低区。 同时为了保证巷道围岩的整体稳定性，护巷煤柱又 需要有足够的宽度以保证自身承载性能。因此采空 侧煤体内侧向支承压力的分布特征是确定护巷煤柱 合理尺寸的关键。 研究结果表明 [4-5]，上区段工作面回采结束后， 上覆直接顶岩层冒落充填采空区，而基本顶岩梁沿 采空区四周破断形成“砌体梁”结构。随着弧形三 角块 B 块回转下沉并最终稳定后，采空区侧向支承 压力分布将沿 B 块与稳定块 A 块间断裂线为界分成 两部分，一为近采空区侧煤壁与断裂线间的“内应 力场” ， 二为断裂线以外向煤体深部方向转移的 “外 应力场”。前者应力源为上覆断裂岩梁结构自重， 后者应力源为上覆岩层自重及断裂岩梁传递荷载。 “内应力场”内支承压力 F 等于工作面初次来 压时上覆基本顶断裂岩梁自重 W，所以有 FWγalh 式中 γ- 基本顶岩层平均容重； a- 工作面长度； l- 基本顶初次来压步距； h- 基本顶厚度。 基本顶初次来压步距计算公式为 2 t lh q σ 。 而根据“内应力场”支承压力分布曲线可知， 1 001 0 6 S y G y S Fdxσ ∫ ，联立上两式可得 2 1 0000 612 2 t alhah S G yG yq σγγ 式中 G0- 处于塑性状态的煤体刚度值； y0- 护帮煤体的平均压缩量。 根据上区段13311工作面实测数据可以得到 “内 应力场”宽度 S1为 15.5 m。为保证综放沿空巷道布 置在“内应力场”范围内，从而使护巷窄煤柱和沿 空巷道处于低应力区，沿空巷道宽度和护巷煤柱宽 度之和应不大于“内应力场”宽度，即 S1≥ L煤柱 L巷宽，由此可以得出煤柱的最大宽度为 10.9 m。 此外，如果煤柱尺寸过小，其承载能力过低， 不仅不利于煤柱帮锚杆锚索支护，同时也会影响巷 道整体稳定性。因此，护巷煤柱的宽度下限应不低 于极限平衡状态下的煤柱宽度。 根据极限平衡理论可得，护巷煤柱的留宽应满 足L煤柱≥ x1x2x3 式中 x1- 上区段工作面采动作用下煤体侧松散破碎 区宽度，其计算公式 ； 0 0 1 0 0 0 tan ln 2tan tan x C K H m x CP γ ϕλ ϕ ϕλ x2- 护巷煤柱锚杆或锚索的有效长度； x3- 护巷煤柱自稳性系数，本文取值为 0.2 （x1x2）； m- 煤层厚度； λ- 侧压系数，λμ/1-μ，μ 为泊松比； φ0- 煤层内摩擦角； C0 - 煤层内聚力； K- 应力集中系数； γ- 岩层平均容重； H- 巷道埋深； Px- 煤帮的支护阻力，本文中取其值为 0.2 MPa。 根据工作面基本情况，计算得出 x12.2 m，而 巷道煤柱帮支护采用 4.2 m 锚索，即 x24.2 m，所 以得出 L煤柱≥ 7.7 m。综上所述，13313 综放面护巷 692020 年第 9 期 张文强特厚煤层综放工作面护巷煤柱留设尺寸研究 煤柱合理留设宽度为 7.710.9 m。 3 不同煤柱宽度模拟 为分析 13311 工作面回采过程中护巷煤柱宽度对 巷道围岩塑性区分布特征的影响，根据 13313 综放面 赋存特征及回风顺槽断面尺寸，通过 FLAC3D软件建 立长 宽 高为 300 m150 m100 m 的数值计算 模型，并根据沿空巷道断面尺寸进行开挖前处理。 模型顶部施加自重载荷 5.2 MPa，侧向施加水平约束， 底部施加垂直位移约束，计算采用摩尔 - 库仑强度准 则，分别对护巷煤柱宽度为 7 m、8 m、9 m、10 m、 11 m时进行上区段工作面开挖计算。 结果如图2所示。 7 m 8m 9 m 10 m 11 m 图 2 不同煤柱宽度下塑性区分布特征 从图 2 中可以看出，在上区段工作面回采推进 过程中，沿空巷道护巷煤柱两侧均出现一定宽度的 塑性破坏区，而煤柱内部也出现不同宽度的弹性核 区。弹性核区能够有效承载覆岩压力，所以弹性核 区越宽表明煤柱稳定性越高，越有利于沿空巷道围 岩的稳定。由于当护巷煤柱宽度小于 9 m 时，煤柱 两侧塑性区在覆岩压力下发生贯通，导致护巷煤柱 承载能力下降，难以保证巷道的整体稳定性，而当 煤柱大于 9 m 后，虽然弹性核区相应增大，但遗煤 量显著增加，不利于资源回采，所以，综合数值模 拟结果， 13313综放面合理最佳护巷煤柱宽度为9 m。 4 巷道围岩变形观测 为掌握 13313 综放面回风顺槽在留设 9 m 宽护 巷煤柱时受 13311 工作面采动影响下的围岩变形规 律，通过十字观测法观测巷道顶煤下沉量和两帮移 近量，得出巷道支护完成后巷道围岩的变化过程如 图 3 所示。 从图中可见，巷道顶煤及两帮变形曲线均表现为 先快速增大后逐渐趋于稳定的过程，其中顶煤下沉量 在成巷 30 d 后基本趋于稳定，最大值为 93 mm，两 帮移近量在 25 d 后趋于稳定，最大值达到 146 mm。 巷道围岩变形量处于允许范围内，说明留设 9 m 宽 的护巷煤柱能够有效保证沿空巷道围岩的稳定。 （a）顶煤下沉量 （b）两帮移近量 图 3 巷道围岩变形观测曲线 5 结论 （1）根据采空区侧向“内应力场”支承压力 分布特征和护巷煤柱极限平衡理论，得出了护巷煤 柱的取值区间计算公式，并结合 13313 综放面的基 本地质特征，得到了护巷煤柱的合理留设宽度为 7.710.9 m。 （2）通过 FLAC3D数值模拟分析了护巷煤柱 宽度为 7 m、8 m、9 m、10 m、11 m 时受采动影 响下煤柱塑性区分布范围和弹性核区尺寸，得出了 13313 综放工作面最佳护巷煤柱宽度为 9 m。 （3）通过观测沿空巷道顶煤变形量和两帮移近 量的变化过程，发现其顶煤最大下沉量为 93 mm， 两帮最大移近量为 146 mm，说明留设 9 m 宽的护 巷煤柱能够有效保证沿空巷道围岩的稳定。 【参考文献】 ［1］ 张炜，张东升，陈建本，等 . 孤岛工作面窄煤柱 沿空掘巷围岩变形控制 [J]. 中国矿业大学学报， 2014，43（01）36-4255. ［2］ 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. ［3］ 张科学，张永杰，马振乾，等 . 沿空掘巷窄煤柱 （下转第 72 页） 张文强特厚煤层综放工作面护巷煤柱留设尺寸研究 722020 年第 9 期 宽度确定[J].采矿与安全工程学报， 2015， 32 （03） 446-452. ［4］ 高峰 . 浅埋深工作面回采巷道护巷煤柱合理宽度 确定 [J]. 煤，2017，26（07）24-26. ［5］ 乔宇，韩明 . 浅埋煤层综采面护巷煤柱宽度留设 研究 [J]. 煤炭技术，2018，37（11）80-82. 裂隙，使帮部围岩形成整体，改善围岩应力，提高 帮部围岩自承载力 [4]。注浆孔每次施工 2 个，在掌 面距顶板 2 m 处钻孔，钻孔眼距为 3 m，距帮 1 m， 孔深 3m。每掘进 3 m 注浆一次。注浆材料为联邦 加固Ⅰ号（双液），正常注浆水灰比 0.81，漏浆严 重时可适当减低水灰比，最低控制在 0.71，浆压力 68 MPa。 现场施工时采用低压低流缓慢注浆工艺。 当漏浆严重时，应适当降低注浆压力。 4 巷道围岩观测 （1）测点布置 为掌握煤柱内部应力变化，对窄煤柱进行钻孔 应力监测， 共布置7个测点， 7个测点深度分别为1 m、 1.5 m、 2 m、 2.5 m、 3 m、 3.5 m、 4 m， 测点间距为5 m。 （2）矿压观测分析 （a）沿工作面走向 （b）沿工作面倾向 图 4 2103 回采过程中煤柱应力变化图 由图 4 可知，沿工作面走向，随着 2103 工作 面的推进，相对垂直应力也在变化，在 6024.5 m 变化值不大， 应力峰值区域基本在10.516 m范围， 此后应力随着工作面推进距测点的距离减小而减 小，说明 2013 工作面超前影响范围在 24.5 m。沿 工作面倾向，窄煤柱内垂直应力变化随测点距煤柱 帮距离的变化而变化，峰值基本出现在 2.5 m 范围 处，5 m 煤柱应力分布较均匀，承载力较强 [5]。 5 结论 （1）模拟 2103 工作面的回采及侧向支承应力 对 21041 巷的影响。随着煤柱距离越大，采空区支 承应力逐渐增大，距采空区边缘约 5 m 处为支承应 力降低区，并确定采用 5 m 窄煤柱护巷。 （2）针对青洼煤业松软窄煤柱巷道煤体酥软、 承载力差、构造应力突出的难点，采取锚网支护、 桁架锚索补强、煤柱帮部高压注浆等围岩控制技术 措施后，5 m 窄煤柱承载能力增强，巷道围岩完整 性良好。 【参考文献】 ［1］ 王园园 . 窄煤柱沿空掘巷围岩支护控制研究 [J]. 煤炭与化工，2018，41（12） 40-42. ［2］ 高建平 . 窄煤柱护巷及支护技术研究 [J]. 煤炭现 代化，2017（05）65-67. ［3］ 贾明魁，马念杰，刘银志 . 深井三软煤层窄煤柱 护巷锚网支护技术研究[J].矿山压力与顶板管理， 2003（04）35-37． ［4］ 周贤，朱守颂 . 留小煤柱沿空掘巷位置及支护设 计 [J]．煤矿安全，2012，43（11）136-138． ［5］ 张广超 . 综放松软窄煤柱沿空巷道顶板不对称破 坏机制与调控系统 [D]. 北京中国矿业大学， 2017． （上接第 66 页） ［3］ 李晨熙 . 大采高回采工作面煤壁片帮防治技术应 用 [J]. 西部探矿工程，2020（01）138-139. ［4］ 要海龙 . 三软煤层工作面煤壁片帮控制技术措施 研究 [J]. 能源与节能，2019（12）114-115. ［5］ 王彦 . 大采高综采工作面煤壁稳定性及控制研究 [J]. 山东煤炭科技，2019（01）78-8088. （上接第 69 页）