煤矿巷道小煤柱的留设及巷道支护设计研究_王晓非.pdf

煤矿巷道小煤柱的留设及巷道支护设计研究王晓非（晋能控股煤业集团沁秀煤业有限公司，山西晋城048007）摘要：针对晋能控股煤业集团某矿 8107 工作面护巷煤柱受采动的影响，煤炭资源损失严重，煤柱承载能力降低，巷道易出现变形、底鼓，存在较难支护的问题，通过分析该巷道煤柱应力分布情况，阐明了进行小煤柱护巷的可行性，并设计了 6 m 小煤柱配套巷道支护方案。实际应用发现：在工作面采动之前，该巷道顶板与底板的收缩变形量大多在 10 mm 以内，采动过程中该巷道顶板与底板的收缩变形量最大为 450 mm，得出该文所设计的小煤柱及配套支护方案是可行的，该研究可为类似工况下矿井巷道小煤柱的留设及巷道支护提供参考。关键词：煤矿巷道；变形；小煤柱；巷道支护中图分类号：TD822.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0007-030引言留设煤柱是煤矿安全开采中普遍采用的一种保护措施，预留煤柱太大会造成煤种资源的损失，如果预留煤柱太少，则难以确保巷道的稳定性。当煤层的深度增加，预留煤柱所带来的资源浪费就越多。因此，在煤矿中留设小煤柱或煤壁是解决煤炭资源浪费和提高煤炭资源利用率的有效途径，而小煤柱留设存在巷道设计、支护以及维护等一系列问题。本文以晋能控股煤矿某矿大高综采工作面小煤柱留置尺寸及巷道支护问题为目标1-3，采用数值模拟、现场检测等手段，对其进行系统的支护设计，并提出了相应的防治措施，取得了良好的效果。1工程背景晋能控股煤矿有限公司以 4 号煤为主要开采煤层，其平均开采深度为 3.52 m，其直接顶、底的抗压能力比较弱。在 8105 工作面与邻近 8105 的护巷之间，存在 4060 m 的巷道，回采巷道通常是沿着煤体顶部和底板开挖，其截面最大可达到 30 m2，这对巷道的支撑增加了一定的难度。目前矿山开采中的技术问题主要有：1）采场巷道围岩遭受了较大的损坏，采场工作面出现网兜状，基底隆起处需进行多次修补；2）在掘进过程中，顶板坍塌的情况日益严重，使超前支护很难实施，顶板的管理难度很大，存在一定的安全风险；3）护巷煤柱较宽，造成煤矿资源的大量浪费。2煤柱合理尺寸研究2.1煤柱应力分布规律采矿作业改变了煤体原有的应力状况，破坏了煤体的应力均衡，使得煤体的三维应力场出现了向深层移动的趋势，容易引起护巷煤柱的应力集中。结果表明，煤柱沿向弹塑性方向的纵向应力随煤柱沿向弹性中心的间距呈现出显著的线性变化。从根据极限均衡原理考虑，得出了支撑压最大和最大煤体（煤柱）边界的间距 x0：x0=m2flnKH+Ccot（p1+Ccot）.（1）式中：K 为相应的应力集中系数；p1为相应的支架对煤帮的阻力；m 为相应的采厚；C 为相应的黏聚力；为相应的内摩擦角；f 为相应的煤层与顶底板接触面的摩擦因数；为相应的三轴应力系数，=1+sin1-sin。矿山的实测数据显示，x0的区间为 320 m，一般为 512 m，其中的应力减小区域为 27 m。煤柱的应力集中状况和承压性能受采高、煤柱宽度和煤层深度的制约，其中应力分布状况有 3 种类型。在 B2L 条件下，煤柱的两边都有明显的应力，而中央的压力是比较均匀的，这是一种原始岩石的应力场 rH。在边部，由边部向中心及周边突出的应力集中区，主要是破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区；在 LB2L 条件下，两边的受力在中部产生了重叠作用，中央的应力场比原岩应变场强，上部受压成“马鞍”状；BL 时，两边支撑压的峰值发生了重叠，重叠面积增加，叠加强度增加，导致煤柱体中央受力迅速增加，且其内部的应力呈现出明显的“增强”状态。2.2支承压力分布规律护巷的受力状况对采场巷道煤柱的大小和支撑技术的选取有很大的关系。为了了解护巷煤柱支撑压的变化情况，对 8107 运输巷和 8105 回风巷间断面进行了现场试验，并对测试过程和测试结果进行了分析。利用 KSE-III 型弦压记录装置和采集装置，对8107 工作面在前推时横向支撑压的变化规律进行了收稿日期：2022-09-06作者简介：王晓非（1985），男，山西临汾人，毕业于太原理工大学采矿工程专业，本科，采煤助理工程师，研究方向为煤矿井下支护技术。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.003试验研究机械管理开发第 38 卷观察，其中，8107 运输巷和 8105 回风巷间的区间内，应力传感器的布置见图 1。由于开采活动对护巷内的应力分布有很大的影响，在现场测量时，工作面的受力范围为 76.2 m，最大的应力集中因子为 1.9。护巷煤柱体的应力分布呈“马鞍型”，其最大应力集中在 8105 井段 22.1 m，最大应力为 17.7 MPa。8107 井巷侧位于巷帮 12 m 的地方，其最大应力峰为 171.1 MPa，而狭窄煤柱护巷的煤柱直径为 5.67 m。2.3小煤柱合理尺寸的数值模拟针对 4 号煤层综放工作面的地质情况，采用FLAC3D 数值仿真软件对其进行了数值分析，采用了长宽高（300 m200 m100 m）的煤柱、模型为包含 57 160 个计算单位和 82 400 个节点的准三维模型。采用边界条件对位移变形进行控制，模型底、侧边约束水平和竖向位移，同时在上部增加等自重竖向应力。根据煤柱的预留尺寸，将其划分为 5 m、10 m、20 m、30 m 四种不同的工况，在不同的工况下，竖向应力的分布曲线见图 2。在护巷煤柱的宽度为 30 m 时，其应力分布呈现“马鞍形”，相邻巷道旁侧支承压力的最大值位于 8.6 10.1 m 区间内；当护巷煤柱宽度为 20 m 时，相邻巷道旁侧支承压力的最大值位于 8.212.1 m；当护巷煤柱宽度为 10 m、5 m 时，由于应力的叠加，产生了较大的荷载集中，10 m 宽的煤柱弹性核区 x0为 3.76 m，5 m宽的煤柱弹性核区 x0为 1.78 m。在煤柱宽度为 5 m 时，煤柱基本上处于完全断裂状态，其承载能力明显降低，弹性核逐渐消失，使护巷内的煤柱受压应力逐步向巷道两侧的煤层深处移动。在理论计算、数值模拟和实测数据的基础上，给出了采用宽 6 m 的护巷支护方案，并对其进行了模拟。采场双巷开挖和支护后的变形情况见下页图3-1，其顶板的变形量有很大的改变，而巷道周围的岩石整体的变形量则相对较少；下页图 3-2 是在采场结束后，采场中的岩体位移曲线，在工作面上，由于巷道截面的变化比较大，当巷道截面缩小 20%时，6 m 厚的小煤柱一侧的巷道具有良好的稳定性。3巷道支护设计3.1巷道参数设计该煤矿 4 号煤层工作面护巷的煤柱宽 4060 m，图 1支承压力测区布置（单位：mm）2-15 m 煤柱2-210 m 煤柱2-320 m 煤柱2-430 m 煤柱图 2煤柱垂直应力（Pa）分布云图钻孔应力计布置俯视图 11?1 500-1.0000E+06-3.0000E+06-5.0000E+06-7.0000E+06-9.0000E+06-1.1000E+07-1.3000E+07-1.5000E+07-1.7000E+07-1.9000E+07-2.1000E+07-2.3000E+07-2.5000E+07-2.6000E+07-1.0000E+06-3.0000E+06-5.0000E+06-7.0000E+06-9.0000E+06-1.1000E+07-1.3000E+07-1.5000E+07-1.7000E+07-1.9000E+07-2.1000E+07-2.3000E+07-2.5000E+07-2.6000E+07-1.0000E+06-3.0000E+06-5.0000E+06-7.0000E+06-9.0000E+06-1.1000E+07-1.3000E+07-1.5000E+07-1.7000E+07-1.9000E+07-2.1000E+07-2.3000E+07-2.5000E+07-2.6000E+07-1.0000E+06-3.0000E+06-5.0000E+06-7.0000E+06-9.0000E+06-1.1000E+07-1.3000E+07-1.5000E+07-1.7000E+07-1.9000E+07-2.1000E+07-2.3000E+07-2.5000E+07-2.6000E+0782023 年第 6 期3-1两巷支护最大位移3-2工作面推进后巷道围岩位移图 3位移变化云图4-1区段煤柱 1314 测区图 4巷道顶底板移近量2.191 4E-010.000 0E+00-2.500 0E-01-5.000 0E-01-7.500 0E-01-1.000 0E+00-4.250 0E+00-1.500 0E+00-1.750 0E+00-2.000 0E+00-2.250 0E+00-2.500 0E+00-2.750 0E+00-3.000 0E+00-3.250 0E+00-3.500 0E+00-3.750 0E+00-4.000 0E+00-4.250 0E+00-4.500 0E+00-4.726 2E+007.528 1E-017.000 0E-018.000 0E-015.000 0E-014.000 0E-013.000 0E-012.000 0E-011.000 0E-010.000 0E+00-1.000 0E-01-2.000 0E-01-3.000 0E-01-4.000 0E-01-5.000 0E-01-6.000 0E-01-7.000 0E-01-8.000 0E-01-8.118 7E-01500400300200100007-1707-1607-1207-0907-0706-2506-2406-2207-19日期C13（1）C13（3）C14（3）C14（1）位移/mm180160140120100806040200位移/mm06-1307-0706-2406-1807-1207-17日期C8（2）C9（2）C9（3）C9（1）在掘进过程中多为底板开挖，且巷道截面比较大，两巷的超前支护大多采取棚式支撑，采用单体的水力支杆与板梁、木垛支护法，支护效果不佳，回填量大，回填率高。由于护巷工作效率低，造成了大量的能源消耗。合理地选择小煤柱的预留大小，并在此情况下进行最优的支护工艺，是实现煤矿安全高效的关键措施。根据以上分析，在 8107、8105 巷道间预留 6 m 宽的小型煤壁，其设计截面（宽高）为 4.4 m3.2 m。3.2现场实验监测通过对巷道顶、底板进行位移试验，得出了采区顶板位移大多在 10 mm 以下。在施工中，工作面向前移动时，两帮和顶底的位移明显增加。在 8107 运输巷口 80 m 处设置了一个工地监控点，其上、下端的变形曲线见图 4-1。在 14 测区 1 测点处，发生了 450 mm的最大位移。8105 回风巷 89 测井段的顶底和底面的变形情况见图 4-2，它们的位移量都不大，都在 160mm 以下。在推动力作用下，顶底的位移量增大，在老顶来压力之后，其移动的增大趋向减弱。4结论1）护巷的宽度与煤矿的采掘深度、煤层埋深具有很大的相关性，随着宽度的降低，其应力分布的形态就会由双峰型向马鞍型向单峰型过渡。2）对 4 种不同的煤层宽度分别进行了计算分析，发现在 30 m 煤层中，煤层的应力分布是“马鞍型”，其水平应力集中在相邻巷道内 8.69.1 m；在 10 m、5 m煤层中，其弹性核的厚度为 3.76 m、1.78 m；在 5 m 煤层中，其弹力核已不存在。3）通过对 8107 工作面 6.0 m 煤柱留置进行了理论、数值仿真和工程类推等研究，证明留置的煤柱支撑效果较好。在现场观测时，位移的变化规律为：位移的幅度随工作面向前移动而增加，在 80 m 以内的沉降变形达到 450 mm。参考文献1郝汝栋，陕卫斌，张智杰.大采高工作面小煤柱