煤矿沿空掘巷煤柱尺寸留设应用研究.pdf

第3 7 卷第l 1 期 2 0 1 4年 1 1 月 煤 炭 与 化 工 C o a l a n d C h e mi c al I n d u s t r y Vo 1 ． 3 7 No ． 1 1 NO V ． 2 01 4 煤矿沿空 掘巷煤柱尺寸留 设应用研究 李志强 山西朔州山阴兰花 口 前煤业有限公司， 山西朔州0 3 6 0 0 0 摘 要沿空掘巷是减少煤柱压煤，提高煤炭回收率的有效方法之一，在水文地质条件相对 简单的矿 区已经得到广泛的应用。采用相似模拟的手段 ，得 出兰花集团 口前矿 4 2 0 1工作面沿 空顺槽小煤柱合理留设尺寸应为 4m，并通过工业现场的矿压观测，分析 了沿空顺槽 的围岩变 形规律 ，为现场 实践提供 实验依据。 关键词深部开采；沿空掘巷；相似模拟；变形规律 中图分类号 T D 8 2 2 - 3 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 9 7 9 2 0 1 41 1 - 0 0 3 8 0 2 S t u d y o n Ro a d wa y Dr i v i n g Al o n g Go a l Co a l Pi l l a r S i z e De s i g n Appl i c a t i o n LI Zh i 。 q i a ng S h a n x i S h u o z h o u S h a n y i nL a n h u a K o u q i a nMi n i n g I n d u s t r yC o r p o r a t i o n L t d ． ， S h u o z h o u 0 3 6 0 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t Ro o d a y d r i v i n g a l o n g g o a l w a s o n e o f t h e mo s t e ff e c ti v e w a y t o r e d u c e c o a l p i l l a r c o n c e a l e d c o al a n d i mp r o v e mi n i n g r e c o v e r y r a t e ．a n d wa s wi d e l y u s e d i n r e l a ti v e l y s i mp l e h y d r o g e o l o g i c al c o n d i ti o n s o f mi n i n g a r e a ．W i t h a n alo g s i mu l a ti o n me an s ，r e a s o n a b l e s i z e o f s ma l l c o al p i l l a r i n 4 2 01 w o r k i n g f a c e alo n g t h e e mp t y r o a d w a y o f K o u q i an Mi n e ， L a n h u a Gr o u p w a s 4 m， t h rou g h the i n d u s t r i al mi n e r al p r e s s u r e o b s e r v a ti o n o n s i t e ， t h e d e f o r ma ti o n l a w o f s u r r o u n d i n g r o c k a l o n g the e mp t y roa d w a y wa s an aly z e d ， w h i c h p r o v i d e d e x p e ri me n t b a s i s f o r p r a c ti c e o n s i t e ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ； r o a d wa y d r i v i n g alo n g g o a f ； a n alo g s i mu l a t i o n ； d e f o rm a t i o n l a w 0引 言 1 研究 区域概况 沿空掘巷是减少煤柱压煤，提高煤炭回收率的 有效方法之一，在淮北、潞安、晋城等矿区某些水 文地质相对简单 的矿井 已经得到广泛 的应用f 1 ] 。随 着开采深度的增加，沿空掘巷的力学环境较浅部开 采发生大 的改变 ，来 自邻近工作 面的侧 向支撑压 力 ，以及矿压显现显著增大 ，沿空巷道支护更加 困 难 ，变形更为严重 。目前 ，沿空留巷技术还未在深 部煤层开采方面大规模应用，与之相关的理论和实 践都较为缺乏。兰花集团口前煤矿根据自身地质条 件，并结合邻近矿井的经验 ，计划在 4 2 0 1 工作面 试验小煤柱沿空掘巷。在此之前，作者采用相似模 拟的手段 ，研究不 同煤柱尺寸 隋况下巷道围岩变形 规律 ，为现场实践提供实验依据 。 1 。 1 4 2 0 1工作面沿空顺槽地质条件 4 2 0 1工 作 面标 高 一 3 l 5 一 2 6 5 m，地 表 标 高 3 8 5 ． 2 一 3 6 5 ． 8 17 1 ，平均埋 深 6 6 5 I T I 。沿空顺槽 设 计长度 7 7 5 11 1 ，平均倾角 5 。 。二 煤层厚度平均 4 ． 6 7 i n ，伪顶不 发育 ，直 接顶为砂 质泥岩 ，厚度 0 ～ 3 ． 5 in，硬 度 3 ． 5 ；基 本 顶 为 细 粒 砂 岩 ，厚 度 9 ．9 ～ 2 1 I ll 。伪底不发育，直接底为砂质泥岩，厚度 0 ． 7 6 in，硬度 3 ． 5 ；底板为黑灰色细砂岩 ，厚度 6 ． 5 I T I ，硬度 4 ． 5 。 1 ． 2 4 2 0 1工作面沿空顺槽支护方式 巷道沿煤层底板掘进，设计为梯形断面，梯形 棚工 字钢 顶部锚 网进行 支护 ，巷道 净高 2 6 0 0 mtT I ，净断面 1 2 ．4 4 in 。顶部采用长度 2 ．0 in的 西2 0 收稿日期2 0 1 4 1 0 ～ 1 4 ；责任编辑郭嫒嫒 作者简介李志强 1 9 6 4 一 ，男，山西高平人，工程师。E - m a i l z s h 0 2 0 1 1 6 3 ． c o rn 引用格式李志强． 煤矿沿空掘巷煤柱尺寸留设应用研究【 J 】 ． 煤炭与化工，2 0 1 4 ，3 7 1 1 3 8 3 9 ，4 3 3 8 李志强煤矿沿空掘巷煤柱尺寸留设应用研究 2 0 1 4年第 1 1 期 m m等强锚杆支护，间排距 7 0 0 m m X 8 0 0 m m；顶 板中部单排锚索，锚索规格 西1 5 ． 2 m ill ，长度 5 m， 间距 20 0 0mm。 2 相似模拟实验 2 ． 1 模拟材料及配 比 实验的模拟材料选用砂子和石蜡，这种胶结材 料较其它材料相比具有模型制作时间短，材料的力 学性能稳定，而且具有良好的弹塑性。因此 ，采用 砂和石蜡的混合物来模拟巷道围岩及煤层，用云母 片来模拟各岩层间的弱面。根据 4 2 0 1 工作面顶底 板岩性及参数，实验模型的岩性指标见表 1 。 表 1模型岩性参数 岩层 厚度 弹性模量 抗压强度 抗拉强度 泊松 容重 序号 石任 ／ m ／ G p a ／ MP a P a 比， k N． I r r 3 根据砂和石蜡配比曲线和模型围岩的强度要 求 ，选用 3 8 1的材料来模拟煤层 ，用配 比为 3 0 1 的材料来模拟泥岩 ，用 2 3 1 的材料来模拟 细粒砂岩。 2 ． 2模拟实验设计 根据试验需求，共设计了 4 组，分别模拟留 2 、4 、7 、1 2 m煤柱 ，沿煤层顶板掘巷。以加载 1 0 和 1 6 M P a 分别模拟巷道静态应力分布和动态应力 分布。利用安装在模型顶底板和两帮的压力传感器 连接 电脑 ，测定围岩受力状况 。 2 ． 3模拟结果分析 实验数据表明 ，在距开采边界 4 m处 的岩梁下 沉最为剧烈 ，在距开采边界 7 IT I 处顶板下沉量最 大 ，分别是 留 2 、4 、1 2 i n煤柱 的 2 3 0 ％，3 4 0 ％和 3 5 0 ％；开采边界基本顶下沉量是 2 、4 、1 2 m煤柱 的 1 8 0 ％，2 2 5 ％，1 3 0 ％。4组实验引起的矿压显现 强烈范围分别是 1 5 ，1 9 ，2 3 和 2 8 m 。从实验数据 来看 ，煤体受侧方工作面回采影响形成的破裂带范 围为 7 ．2 m，受邻近工作面回采影响范围约 2 ． 0 m 。 采空区侧方煤体支承压力增高范围在 2 2 ～ 3 2 m，峰 值位置距开采边界约 9 m 。 3 4 m煤柱工业现场试验围岩观测 该矿 4 2 0 1 工作面回风巷道留设 4m小煤柱 ，距 邻近工作面 1 2 0 3 0 工作面进风巷 9 _3 m 中一中 。在 工业现场试验的过程中， 对沿空顺槽进行了支架受 力 ，深部位移和表面位移观测。表面位移采用十字 法布点观测，如图 1 所示；深部观测分别在巷道顶 板和两帮打 1 、2 、3 m钻孔观测 。沿空顺槽表面位 移及深部位移量见表 2和表 3 。 图 1 巷道表 面位移观测 示意 沿空巷道在掘巷过程中，巷道表面位移相对较 小 ， 在工作面回采期间，尤其是在工作面煤壁前方 约 2 0 m范围内，受超前支承压力的影响，巷道表 面位移变化较大。在顶底板移近量方面，底臌占到 6 7 ％，顶板下沉占到 3 3 ％；在两帮移近量方面，煤 柱两帮位移量占到 6 0 ％以上。沿空巷道两帮受采 动影响变形集中在煤壁前方 3 O ～ 4 0 m，而顶底板变 形主要集中在煤壁前方 2 5 ～ 3 0 m 。 表 2 沿空巷道表面位移■ 时间 ， 变 形量 顶底 两帮 累计变形 最大变形速度 累计变形 最大变形速度 巷道收敛 量 ／ mm ／ i n n l d 量 ／ m m ／ I n n q d 率 ， 深度 ／ m 1 2 3 1 2 3 1 2 3 位移量 ／ m m 1 2 4 8 9 5 2 3 5 2 3 0 8 2 6 0 2 3 8 6 9 2 7 沿空巷道深部位移观测数据表明，3 m以上范 围顶板基本不发生移动，整体性较好；由于定时打 设松帮卸压孔 ，清理巷帮鼓包，实体煤帮基本稳 定 ；煤柱帮无片帮 ，但发生整体位移 ，说 明留设 4 IT I 的小煤柱时， 侧向支承压力峰值更加靠近实体煤 帮，这与相似模拟实验结果吻合。 回采期间，在超前支撑压力范围内，顶板压力 增大，煤柱进一步发生塑陛变形 ， 侧向支承压力向 实体煤一侧转移，因此实体煤侧顶板下沉要小于煤 柱帮 。 4 结 论 通过 4 2 0 1 工作面相似模拟试验及井下工业现 下转第 4 3页 39