厚硬顶板沿空窄煤柱合理宽度研究_朱伟.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.003厚硬顶板沿空窄煤柱合理宽度研究朱伟1，索志亮2，王天一3（1.淮北矿业股份有限公司杨柳煤矿，安徽 淮北 235121；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏 徐州 221001）摘要 以杨柳煤矿 1077 工作面为研究背景，以采空区侧向基本顶破断结构为基础，建立窄煤柱受力模型，通过极限平衡理论计算窄煤柱留设宽度范围。在理论计算结果的基础上，采用数值模拟软件，对比分析了不同煤柱宽度下的围岩应力分布情况，确定了留设煤柱合理宽度为 5 m，并用于现场试验，取得了较好的技术及经济效果。关键词 沿空掘巷；窄煤柱宽度；厚硬顶板；数值模拟中图分类号TD822.3文献标识码A文章编号1672-9943（2023）01-0008-030引言随着煤炭资源开采强度的增加，我国中部矿区许多煤矿面临资源枯竭和接替紧张的局面，而宽煤柱护巷造成了巨大的煤炭资源损失1。在窄煤柱护巷方法下，复杂的沿空巷道施工条件让煤柱的留设宽度问题成为无煤柱（窄煤柱）护巷生产设计中的重点难题2。为解决上述难题，煤炭企业广泛开展无煤柱开采技术研究，许多矿井通过工程类比和经验公式决定沿空巷道煤柱宽度和支护方案，但是我国各矿区煤炭开采条件千差万别，一味地借鉴经验公式不能很好地解决煤柱宽度留设问题3。1工程概况杨柳煤矿隶属淮北矿业股份有限公司，矿井位于安徽省淮北市濉溪县境内。该矿 1077 工作面位于 107 采区左翼，1077 里区段回风平巷南部与 1075工作面采空区相邻。1077 里区段回风联巷自 1075里区段运输平巷联巷施工，西至 1077 开切眼。1077工作面巷道布置如图 1 所示。图 11077 工作面巷道布置2煤柱宽度理论计算在采煤工作面不断向前推进的过程中，采空区悬顶面积不断增加，承受载荷攀升至其强度极限后工作面基本顶发生初次破断。随着采出空间的不断扩大，工作面基本顶随着推进发生周期性破断，如图 2 所示。基本顶破断后，在工作面侧向整体形成“三铰拱”结构，如图 3 所示。采空区边缘上方基本顶破断形成的弧形三角形块（称为关键块 B）对沿空掘巷稳定性会起关键作用4。图 2工作面周期性破断示意图 3采空区侧向基本顶破断结构根据库伦-摩尔破坏准则，巷道两边煤体边缘最先受损破坏，并逐步向深部扩展，直至弹性应力区边界。煤柱在错开应力峰值区的同时，还起到隔离采空区和维持沿空巷道日常使用的作用，所以煤基金项目：国家自然科学基金（51874278）；江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目（JNHB-087）；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主课题（SKLCRSM2020X04）1077 工作面1075 采空区岩块 A岩块 B岩块 C采空区上覆岩层实体煤壁岩块 A岩块 B岩块 C采空区能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.182023 年 2 月Feb.,2023柱宽度也不能太小。为此，煤柱宽度 B 可以用下式描述：B=X1+X2+X3（1）其中 X2=（X1+X3）（30%50%）式中：X1为沿空巷道掘出后两帮塑性区宽度，m；X2为富余宽度，m；X3为 1075 采空区侧煤体塑性区宽度，m。将发生塑性变形的煤体视为均质、连续、各向同性体，忽略煤柱屈服前、后形变，在巷道长度方向上取一横截面作为研究对象，建立窄煤柱受力模型，如图 4 所示。图 4窄煤柱受力模型从水平方向上对煤柱受力模型进行平衡分析，可得 X1计算公式如下：X1=h2tan0LnkH+C0/tan0C0/tan0+Px/()（2）式中：为侧压系数；h 为煤层厚度，m；0为煤层接触面的内摩擦角，（）；k 为应力集中系数；为岩层平均密度，kN/m3；H 为巷道埋深，m；C0为煤层接触面的黏聚力，MPa；Px为对煤帮的支护阻力，MPa。根据杨柳煤矿 1077 工作面实际地质条件，式（2）中各参数取值为：h=3.6 m，H=500 m，=25 kN/m3，=0.4，0=30，C0=5.39 MPa，k=2.5，Px=0.15 MPa。将各参数代入式（2），求出 X1=1.78 m。同理得出，1075 工作面采空区塑性区宽度 X3计算公式如下：X3=h2tan0LnKH+C0/tan0C0/tan0()（3）根据工作面实际地质条件，将参数代入式（3）求出 X3=1.83 m。由式（1）可知，X2由 X1、X3计算结果确定，将式（2）、（3）计算结果代入式（1）可得：B=1.78+（1.78+1.83）（0.30.5）+1.83=4.695.41（m）因此，根据极限平衡理论计算结果，1077 工作面沿空掘巷煤柱宽度取值范围可以初步确定为4.695.41 m。3数值模拟优选煤柱宽度当煤柱尺寸在 4.695.41 m 时，达到极限平衡状态，煤柱本身能保持较好的完整性。但是在“实体煤-巷道-煤柱-采空区”的承载体系中，煤柱并非主要承载结构，所以煤柱宽度具有向下取值的可行性。在综合考虑技术与经济 2 个方面因素后，对38 m煤柱宽度进行优选。3.1模型建立基于 1077 工作面采煤地质条件，采用 FLAC3D模拟软件建立三维数值模型，如图 5 所示。图 5模型示意在模型顶部施加 12.5 MPa 荷载，并向模型左右、前后分别施加 9.6、10.6 MPa 载荷模拟工作面侧向应力，锁定模型前后、左右界面法向位移。巷道顶底板岩层力学参数如表 1 所示。表 1煤岩物理力学参数3.2沿空巷道围岩应力特征模拟分析不同煤柱宽度下沿空巷道掘进后，巷道围岩侧向支承应力分布情况如图 6 所示。由图 6 分析可知，煤柱宽度值较低时，承载力较弱，伴随着煤柱宽度逐步提高，煤柱内部贮存应力值也开始不断攀升。朱伟，等厚硬顶板沿空窄煤柱合理宽度研究岩性密度（kg/m3）体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa粘聚力/MPa内摩擦角/（）泥岩2 6508.774.773.34.1243.5细砂岩2 6752.562.433.758.3032.210#煤2 6808.423.660.75.3934.53粉砂岩2 6664.484.095.479.5031.50 xy=k1HyxyxPxPxX10160 m160 m160 m92023 年 2 月Feb.,2023图 6巷道围岩侧向支承应力分布情况煤柱垂直应力分布如图 7 所示。图 7煤柱内垂直应力分布规律对各宽度煤柱模拟结果分析如下：（1）当煤柱宽度为 3 m 时，煤柱内垂直应力在7.68.2 MPa 区间，无明显集中现象。该应力值远低于此地层平均应力值 12 MPa，整体承载能力差。（2）当煤柱宽度为 4 m 时，煤柱内垂直应力开始出现集中趋势，垂直应力达到峰值 11 MPa。（3）当预留的煤柱宽度达到 5 m 时，在距离煤柱边界 23 m 处的垂直应力为 13.613.8 MPa。此时，除煤柱边界部分的单元仍处于破碎状态，煤柱内部单元保留了较高的完整性。（4）当预留的煤柱宽度达到 6 m时，煤柱内应力峰值达到 18.2 MPa，垂直应力峰值提高了约 32%。（5）当煤柱宽度达到 7 m 时，在距离煤柱边界34 m 处的垂直应力达到 21.622 MPa，煤柱内弹性单元数量进一步提升，并出现弹性区域。（6）当煤柱宽度为 8 m 时，在距煤柱边界 4 m处的垂直应力峰值为 27.6 MPa，比选择 6 m 煤柱内峰值提高约 52%，应力集中系数为 2.2。统计各宽度煤柱模拟结果，如表 2 所示。表 2煤柱选取应力模拟结果3.3煤柱尺寸确定综合分析各煤柱宽度下，沿空巷道的围岩应力分布模拟结果可知：当煤柱宽度为 3 m 和 4 m 时，由于煤柱的宽度较窄、煤柱承载能力较差，不符合安全稳产的要求；当煤柱宽为 5 m 时，由于煤柱宽度的增大，煤柱本身承载能力得到了一定的提升，顶板破坏程度也有了明显的改善；当预留的煤柱宽度为 7 m和 8 m时，煤柱内出现一定宽度的弹性区域，应力集中系数提高到 2.3。综上所述，最终选择5 m作为留设煤柱宽度。4工程实践与现场监测4.1工程实践为验证煤柱选取宽度的合理性，以 1077 里区段回风平巷为试验巷道进行现场工业性试验。巷道具体支护形式与参数如下：1077 里回风巷断面为矩形，断面尺寸宽高=5 200 mm3 300 mm，设计支护形式为锚带网索支护，锚杆（索）均垂直巷道表面安装。巷道锚杆规格为 22 mm2 800 mm，锚杆间排距为 750 mm1 000 mm；顶板锚索规格为 17.8 mm6 300 mm，布置形式为“2-2-2”，间排距为 2000mm1000mm。4.2控制效果对留设 5 m 煤柱下的沿空巷道设置 8 个表面位移观测站。测站布置如图 8 所示；观测结果如表3 所示。图 8测站布置示意表 3巷道表面位移监测从图 8 可以看出，留设 5 m窄煤柱护巷后，沿空巷道顶板下沉量平均值为 177 mm；（下转第 24 页）煤柱宽度/m345678垂直应力/MPa7.61113.618.221.627.6应力集中系数0.610.881.081.451.732.20测站煤壁侧顶板下沉量/mm采空区侧顶板下沉量/mm两帮相对移近量/mm1#1802951952#1762932063#1812831884#5#6#7#8#1791721691811823073052872952991932001992011991001101201301408090垂直应力/MPa50403020100边界间距离/m待采煤壁采空区煤柱3 m煤柱4 m煤柱5 m煤柱6 m煤柱7 m煤柱8 m煤柱3 m煤柱4 m煤柱5 m煤柱6 m煤柱7 m煤柱8 m煤柱距煤柱边界距离/m0123456780123456783025201510530252015105垂直应力/MPa27.6 MPa22 MPa18.2 MPa13.8 MPa11 MPa1077 工作面1075 采空区1077 切眼8#测站 7#测站 3#测站 2#测站 1#测站 20 m 20 m 20 m能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1102023 年 2 月Feb.,2023（上接第 10 页）巷道采空区侧顶板下沉量平均值为296 mm；巷道两帮移近量平均值为 197 mm。5结论（1）以采空区侧向基本顶破断结构为基础，建立了煤柱极限平衡区宽度计算模型，初步确定了窄煤柱宽度取值范围在 4.695.41 m。（2）利用 FLAC3D软件，模拟分析了留设 38 m宽煤柱下巷道围岩应力演化规律，确定了窄煤柱宽度为 5 m。（3）留设 5 m 煤柱护巷后，巷道煤壁侧顶板下沉量平均值为 177 mm；采空区侧顶板下沉量平均值为 296 mm；两帮移近量平均值为 197 mm。表明留设 5 m窄煤柱护巷是合理可行的。参考文献1王国法，庞义辉，刘俊峰.特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响 J.煤炭学报，2012，37（11）：1777-1782.2赵景礼，常中保，田筱剑，等.错层位采煤法非常规区段煤柱稳定性理论研究 J.矿业科学学报，2018（1）：55-60.3申梁昌，双海清，王红胜.基本顶影响综放沿空掘巷稳定性关键因素分析 J.煤炭技术，2018，37（10）：8-10.4张杰，杨涛.缓倾斜特厚煤层区段煤柱尺寸研究 J.煤炭工程，2017，49（10）：38-42.作者简介朱伟（1982-），男，工程师，毕业于安徽理工大学采矿工程专业，长期从事采矿安全生产技术管理工作。收稿日期：2022-07-033结论（1）利用 S-变换谱分解方法，可以在不同的单频体剖面以及沿油气储集层的上下沿层切片上分析获得油藏和低频阴影的剖面及平面响应特征。（2）通过对多个