孤岛工作面小煤柱沿空掘巷开采技术研究.pdf

2023.8 矿业装备/510 引言沿空掘巷技术的应用可极大提高煤炭资源回采率，降低巷道掘进率。采用完全沿空掘巷技术会存在沿空掘巷巷道漏风、采空区矸石滚落等次生灾害，安全性较差1-2。留设小煤柱沿空掘巷技术可同时解决回采率低、完全掘巷漏风和矸石滚落的次生灾害的问题，因此近年来得到广泛推广3。关于沿空掘巷回采技术我国专家学者进行了大量研究，并取得丰硕成果。之前的研究包括沿空掘巷切顶技术、煤柱沿空掘巷开采技术及沿空掘巷技术工程应用研究，关于小煤柱沿空掘巷技术理论分析和工程应用综合研究较少。挖金湾煤矿 8109 工作面为孤岛工作面，拟采用小煤柱沿空掘巷技术回采。邻近 8107 工作面、8111 工作面已经回采完毕，回采过程中存在小煤柱宽度不确定、巷道围岩稳定性不确定的问题，为解决以上问题，现采用数值运算对该采面小煤柱沿空掘巷开采过程中围岩稳定性进行研究。1 工程概况目前，挖金湾煤矿主采煤层为 4#煤层，煤层平均厚度约为 3.2m，底板岩性为泥岩，平均厚度 8m；顶板岩性：砂岩，平均厚度 30m；8109 工作面为孤岛工作面，走向 1500m，切眼 220m；开采方式：综合机械化采煤法，一次采全高。工作面平均埋深 769m，地应力较大，煤层较软，8107 工作面、8109 工作面回采期间存在支护难度大的问题。工作面布置如图 1 所示，两个工作面运输顺槽支护措施如图 2 所示。2 围岩稳定性分析8109 工作面小煤柱沿空掘巷煤柱宽度不确定，且煤柱宽度影响掘巷技术回采过程中围岩稳定性。目前，沿空掘巷普遍采用小煤柱宽度约为 6m，为进一步研究小煤柱宽度合理性，探究小煤柱沿空巨掘巷优化措施，现采用 FLAC-3D 对留设 6m、4m 煤柱时围岩应力、应变分布任海宏1 纪邦师2（1.山西临汾蓝宝煤业有限公司，山西临汾 041000 2.山西攀政地质勘测有限公司，山西临汾 041000）摘要：针对挖金矿 8109 孤岛工作面小煤柱沿空掘巷围岩稳定性问题，采用实验室研究测定巷道围岩基本力学参数，采用 FLAC3D 对 6m、4m 煤柱情况下围岩应变情况进行数值模拟运算，确定合理煤柱宽度，进行巷道支护后、回采期间围岩稳定性考察。得到结论证明：8109 孤岛工作面小煤柱沿空掘巷技术小煤柱留设宽度 5m 满足安全掘进、回采要求。关键词：孤岛工作面；沿空掘巷；数值运算；效果考察孤岛工作面小煤柱沿空掘巷开采技术研究图1 工作面布置示意图图2 临近面巷道支护措施52/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺情况进行模拟研究，分析6m 煤柱是否存在煤柱宽度过大情况。围岩基本参数基于实验室测试，分别于 8109运输巷、回风巷掘进开口处取煤岩样本，送往实验室进行参数测试，实验过程如图 3 所示；现场取样进行筛分，进行三轴应力参数测试实验，测试器周边安装了应力应变感应片，通过周期加压最终测得顶板、底板、煤岩应力参数如表 1 所示。模型除顶部外，其他边缘均为固定约束，顶部加载竖向载荷 27MPa。模拟得到煤柱 6m、4m 时围岩应力、应变分布如图 4 所示。根据图 4 可知，煤柱为 6m 时，煤柱竖向应力集中区域位于煤柱中部和巷道左帮位置区域，巷道顶板和底板出现应力释放区域；水平方向应力释放区域为巷道左、右帮和采空区侧；根据 6m 煤柱应变情况数值模拟结果分析，煤柱竖向最大位移量为 100mm，主要集中在煤柱采空区一侧；煤柱水平最大位移量为 120mm，位于煤柱采空区一侧。6m 煤柱水平位移量分布云图显示，煤柱中部出现位移量较低的围岩稳定区域，煤柱实体煤一侧负向位移量和采空区一侧正向位移量区域之间形成了约1m 的围岩稳定区。中部应力集中区域可承载竖向地应力，6m 煤柱应力稳定。根据 4m 煤柱围岩应力分布数值模拟图，煤柱竖向应力集中区域位于巷道左帮位置，煤柱中部应力无集中区域，煤柱水平应力分布释放区域为左右帮、上帮及煤柱。煤柱为 4m 时，煤柱竖向最大位移量为 100mm，主要集中在煤柱中部向采空区一侧，采空区一侧依旧为破碎；煤柱水平最大位移量为 130mm，采空区侧为正向位移，煤岩体出现空腔形破碎区域，煤柱整体依旧为破裂状态，综合分析，4m 煤柱依旧无法承载地应力对煤柱的图3 参数测试图图4 数值模拟图a 围岩样本e 4m煤柱围岩竖直应力等值线a 6m煤柱围岩竖直应力等值线f 4m煤柱围岩水平应力等值线b 6m煤柱围岩水平应力等值线g 4m煤柱围岩竖直应变等值线c 6m煤柱围岩竖直应变等值线h 4m煤柱围岩水平应变等值线d 6m煤柱围岩水平应变等值线b 模拟参数测试实验表1 模拟参数表岩层厚度/m密度/(kg/m3)内聚力/MPa 剪切模量/GPa 抗拉强度/MPa 内摩擦角/体积模量/GPa砂岩3025074.810.683281.134#煤612101.280.591.67261.35砂质泥岩824445.431.23.68281.532023.8 矿业装备/53破坏作用。综合分析，煤柱宽度可以适度缩短，但不能小于 4m，煤柱 4m 时围岩出现失稳现象，煤柱 6m 时，煤柱可独立支撑地应力，达到围岩稳定状态。预测煤柱宽度设置为5m 情况下，通过沿空掘巷支护措施增强的方法即可满足小煤柱沿空掘巷技术回采过程中围岩稳定。3 小煤柱宽度确定及效果考察根据数值模拟研究结果分析，5m 小煤柱即可满足支护要求，保证围岩应力稳定。沿空掘巷采用 6m 煤柱中部会形成较大范围围岩稳定区域，违背了小煤柱沿空掘巷开采技术的初衷。因此，小煤柱宽度设置为 5m。为保证小煤柱沿空掘巷围岩稳定性，适度增强支护措施。根据数值运算结果分析，围岩失稳主要问题为煤柱采空区侧破碎严重，因此可以对煤柱增强锚杆支护，具体措施为：增加煤柱帮锚杆密度；帮部锚杆长度 4m，锚杆增加至 6 根。采用 U 型钢支护，选用 U25 型钢，支护排间距 1m，最终支护措施图如图 5 所示。效果考察主要针对于煤柱稳定性和巷道顶板，通过在巷道煤柱帮部、巷道顶部位移量进行观测，观测周期为 14 天，得到位移量观测结果如图 6 所示。根据图 6 观测结果可知，14d 观测周期内，煤柱侧最大位移量达到 49mm 即未出现位移增量，沿空掘巷顶板位移量达到 24mm 未出现位移增量。围岩整体位移量比较小。支护巷道在 11 天时整体进入围岩稳定期。对支护区域进行宏观观测，现场未出现顶板、两帮垮塌、脱锚、破碎严重的现象。后期回采过程中，沿空掘巷未出现大面积超前垮塌现象，回采安全进行。综合分析，5m 小煤柱满足孤岛沿空掘巷安全支护、回采要求。对其他类似矿井具有一定借鉴意义。4 结束语针对挖金湾煤矿 8109 工作面孤岛工作面小煤柱沿空掘巷围岩稳定性问题，进行数值运算分析围岩应变情况，确定小煤柱宽度，掘巷支护完成后对支护区域进行支护后、回采时期稳定性考察，得到以下结论：8109 孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度为 4m 时无法承载地应力，加强支护也无法满足要求；煤柱宽度为 6m 时，煤柱中部区域存在大面积应力稳定区，违背沿空掘巷小煤柱开采目的；煤柱设置为 5m 最佳。5m 小煤柱沿空掘巷加强支护完成后，11 天左右围岩趋于稳定，巷道未出现大面积变形垮落等现象。留设 5m 小煤柱，工作面回采期间，巷道未出现超前破坏情况，回采安全稳定。综上所述，挖金矿 8109 孤岛工作面小煤柱沿空掘巷开采小煤柱宽度设置 5m 满足工作面安全支护、回采需求。参考文献1 黄林.长榆河煤矿 103 工作面切顶卸压沿空留巷设计 J.煤矿现代化,2022,31(4):13-15+20.2 康志鹏.古城煤矿综放工作面厚煤层软底沿空留巷技术研究 D.徐州:中国矿业大学,2021.3 冯晓斌,王琪,张鹏鹏.大柳塔井柔模混凝土充填留巷技术研究与实践 J.能源与环保,2022,44(6):296-299.图5 优化支护措施图6 围岩位移量观测图时间/d位移/mm