隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究_卢军勤.pdf

932023 年第 5 期卢军勤：隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究卢军勤：隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究卢军勤（山西焦煤霍州煤电隆博煤业有限公司，山西 临汾 042100）摘 要 为了解决隆博煤矿沿空巷道围岩稳定的问题，以 8507 工作面为背景，采用数值模拟方法对不同宽度煤柱围岩应力分布特征和巷道围岩变形特征进行分析，结合隆博煤矿实际地质情况，确定沿空掘巷煤柱宽度为 8 m，并确定了巷道支护和注浆加固参数。井下试验表明，沿空巷道围岩变形得到明显改善，无需巷修即可满足安全使用要求。关键词 沿空掘巷；煤柱；宽度；支护中图分类号 TD822+.3；TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.031Research on Reasonable Coal Pillar Width and Surrounding Rock Control Technology for Driving the Roadway Along the Goaf in Longbo Coal MineLu Junqin(Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Electricity Longbo Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Linfen 042100)Abstract:In order to solve the problem of surrounding rock stability in the roadway along the goaf of Longbo Coal Mine,taking the 8507 working face as the backgroud,numerical simulation method is adopted to analyze the stress distribution characteristics and deformation characteristics of roadway surrounding rock of coal pillars with different widths.Taking into account the actual geological situation of Longbo Coal Mine,the width of the coal pillar of driving the roadway along the goaf is determined to be 8 m,and the parameters for roadway support and grouting reinforcement are determined.The underground test shows that the deformation of the surrounding rock of the roadway along the goaf is significantly improved,and it can meet the requirements for safe use without the need for roadway repair.Key words:driving the roadway along the goaf;coal pillar;width;support收稿日期 2022-11-09作者简介 卢军勤（1989），男，山西乡宁人，2015 年毕业于太原理工大学采矿工程专业，工程师，从事煤矿通风与安全技术管理工作。卢军勤：隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究卢军勤：隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究小煤柱沿空掘巷已在各大矿区广泛采用1-5，隆博煤矿目前采用 25 m 区段煤柱，存在资源浪费、矿井回收率低等问题。1 工程概况隆 博 煤 矿 现 开 采 2#下煤 层，上 距 2#上煤 层9.8519.66 m，平均 14.51 m。2#下煤层均厚 3.85 m，倾角 05。顶板多为粉砂岩、泥岩，单向抗压强度 21.1 MPa；底板多为泥岩、粉砂岩，单向抗压强度 24.2 MPa。8507 工作面地面标高 11051270 m，井下标高 704-660 m，工作面倾斜长 173 m，走向长 1276 m。8507 工作面 5507 回风顺槽沿 8508 工作面采空区留小煤柱沿空掘巷，5507回风顺槽规格为4.5 m3.5 m，沿 2#下煤层顶板掘进。如图 1。图 1 8507 工作面布置示意图2 煤柱合理尺寸数值模拟分析采用 FLAC3D数值模拟软件，对 3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 煤柱进行数值模拟研究。2.1 掘巷期间煤柱应力分布掘进期间不同煤柱宽度下沿煤柱宽度方向的垂直应力分布如图 2。由图 2 可以看出，在煤柱由 3 942023 年第 5 期m 增加到 8 m 时，煤柱内逐渐形成应力集中，应力峰值分别为 11.68 MPa、16.86 MPa、18.32 MPa、20.02 MPa、25.58 MPa、26.28 MPa，应力集中系数分别为 1.10、1.59、1.72、1.88、2.41、2.47。其中，煤柱宽度由 3 m 增加到 6 m 时，应力峰值增加速率较大，当煤柱宽度大于 7 m 后逐渐趋于平缓，表明随着煤柱宽度的增加，煤柱所承受载荷的能力越强。因此，根据巷道垂直应力场分布特征分析，沿空掘巷煤柱宽度不能大于 7 m。图 2 不同宽度煤柱垂直应力分布2.2 煤柱宽度对巷道变形的影响为进一步确定合理的煤柱宽度，对巷道围岩变形与煤柱宽度的关系进行研究，模拟不同煤柱宽度下顶底板及两帮的变形量如图 3。（a）顶板变形量（b）底鼓量（c）工作面侧帮 （d）煤柱帮图 3 不同宽度煤柱围岩变形图由图 3 可知：1）巷道顶板下沉量整体呈现左高右低的趋势，即靠近煤柱侧顶板下沉量较大，靠近工作面侧顶板下沉量较小，且顶板下沉量随煤柱宽度增大而不断变化。煤柱由 3 m 增大到 4 m 时，顶板最大下沉量从 169 mm 突降至 104 mm；煤柱由 4 m 依次增大到8 m 时，顶板最大下沉量分别为 104 mm、93 mm、82 mm、72 mm、63 mm，表明随着煤柱宽度的增加顶板下沉量逐渐减小。2）巷道底鼓量整体呈现中间大两头小的趋势，即靠近两帮处底鼓量较小，靠近巷道中心处底鼓量较大，且随煤柱宽度增大而逐渐减小并趋于稳定。38 m 煤柱宽度下的最大底鼓量分别为 75 mm、74 mm、73 mm、66 mm、65 mm、54 mm，整体底鼓量与煤柱宽度呈负相关，说明煤柱宽度对巷道的底鼓量也存在较大的影响。3）沿空巷道两帮移近量整体呈现中间大两头小趋势，即靠近顶底板处的变形量较小，靠近巷道中心处的变形量较大，且随煤柱宽度增大而两帮移近量均逐渐减小并趋于稳定。由图可见，工作面侧帮移近量对煤柱宽度变化较为敏感，当煤柱宽度大于 6 m 后，煤柱宽度对煤柱侧帮移近量影响较小。综上所述，当煤柱宽度为 35 m 时，巷道整体变形比较严重；当煤柱宽度大于 6 m 后，随着煤柱952023 年第 5 期卢军勤：隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究卢军勤：隆博煤矿沿空掘巷合理煤柱宽度及围岩控制技术研究宽度继续增加，巷道变形量减少并逐渐趋于稳定，因此煤柱宽度不应小于 6 m。2.3 煤柱合理宽度确定沿空巷道位于应力降低区时，沿空巷道围岩变形明显降低，围岩应力状况得到很大改善，围岩稳定性均较好。8508 工作面回采后，沿工作面倾向距8508 工作面 08 m 范围内，垂直应力从 1.75 MPa急剧增大至 11.68 MPa；817 m 范围内，垂直应力从 11.68 MPa 急剧增加至 24.75 MPa；1723 m 范围内，垂直应力从 24.75 MPa 急剧降至 13.25 MPa；2327 m 范围内，垂直应力从 13.25 MPa 缓慢降至12.32 MPa 并趋于稳定，垂直应力变化幅度较小，进入原岩应力区。距8508工作面采空区侧08 m时，垂直应力较小，属应力降低区。因此，煤柱的宽度应当为 8 m 及以下或者 23 m 及以上。考虑到井下实际地质条件和巷道两帮的变形和片帮情况，综合确定煤柱宽度为 8 m。3 沿空掘巷围岩控制技术3.1 锚杆支护参数3.1.1 顶板支护结合隆博煤矿以往动压巷道顶板支护参数，小煤柱沿空掘巷顶板锚索支护为“2-1-2”形式布置，排距为 1000 mm。根据数值模拟分析结果，沿空巷道靠近煤柱侧的顶板受基本顶回转的影响，下沉量会明显大于工作面开采侧，且顶板破碎状况也会明显大于开采侧。为确保巷道顶板稳定和工作面的安全回采，在巷道顶板布置一根锚索的那一排靠近煤柱侧增加一根锚索，形成交错式的“2-2”形式布置。顶板支护如图 4（a），主要参数如下：1）锚杆采用左旋螺纹钢高强锚杆，钢材屈服强度不低于 340 MPa，规格为 22 mm2400 mm。顶板锚杆每排 6 根，间距 600 mm，距两侧巷帮均为 250 mm。锚杆预紧力矩为 300 Nm；锚固力不小于 100 kN。2）锚索采用 7 股高强度低松弛钢绞线，直径17.8 mm，长度 7200 mm，每排两根，与锚杆交错布置，间距一排 1600 mm、一排 2000 mm，排距 1000 mm。当顶板压力较大或者顶板较为破碎时，两根锚索之间用 20 号槽钢连接成一个整体。锚索设计锚固力大于 300 kN，锚索预紧力不小于 200 kN。3.1.2 巷帮支护巷道围岩为一个支护整体，巷帮稳定是控制留巷顶板下沉、保证留巷成功的关键。数值模拟分析可知，沿空巷道两帮变形较大，为使巷帮稳定，需加强巷帮支护强度。因此，需在巷帮施工锚索补强，由于小煤柱宽度为 8 m，锚索长度确定为 4300 mm，同时增加巷帮锚杆长度，控制更大范围围岩。巷帮支护如图 4（b），主要参数如下：1）锚杆采用右旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，钢材屈服强度不低于 340 MPa，规格为 22 mm3000 mm。巷帮锚杆每排 5 根，间距 750 mm，距顶板均为 250 mm，锚杆排距 1000 mm。锚杆预紧力矩为300 Nm，锚固力不小于 100 kN。2）锚索采用 7 股高强度低松弛钢绞线，直径17.8 mm，长度 4300 mm，采用“2-0-2”形式布置，排距 2000 mm，间距 1700 mm，上部一根距顶板800 mm。两根锚索采用长 2700 mm 的 20 号槽钢连接成一个整体。锚索设计锚固力大于 300 kN，锚索预紧力不小于 200 kN。（a）顶板 （b）巷帮图 4 沿空巷道支护参数图（mm）（下转第 103 页）1032023 年第 5 期马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究马俊田：石圪台煤矿 3-1 煤自然发火标志气体实验研究氧化反应；在临界温度 4050 范围内，CO 浓度3.6110-51.1110-4；在干裂温度90100 范围内，CO 浓度 2.86710-33.89210-3。C2H4气体产生温度为 70，浓度为 610-7，说明煤已进入加速氧化阶段。3）C3H8与 C2H6产生量随煤温升高而增大，出现温度均为 70，浓度分别为 510-7与 810-7，可以作为煤激烈氧化阶段的辅助指标。4）如果在煤矿井下检测到 C2H2，说明此时煤温超过 240，已经发生剧烈的氧化反应。C2H2适合作为 3-1 煤层的剧烈氧化阶段的标志性气体。【参考文献】1 凌紫城，施式亮，鲁义，等.铁箕山煤矿 2 号煤层自然发火标志气体及临界值确定 J.能源与环保，2020，42（08）：33-36+41.2 彦鹏，黄光利，张仰强，等.双马煤矿 4-1 煤层自然发火标志气体及临界值研究 J.矿业安全与环保，2020，47（02）：85-89+98.3 许永成，刘春江，吕会庆，等.红庆河煤矿 3-1煤层自然发火标志性气体研究及应用J.陕西煤炭，2019，38（05）：10-13.4 高志才.极易自燃煤层综放面采空区自然发火预测技术研究 D.西安：西安科技大学，2009.5 翟小伟.磁二矿首采综放面煤层自然发火防治技术研究 D.西安：西安科技大学，2005.6 董绍朴，刘剑，李艳昌，等.基于主成分分析法的东荣一矿煤层自然发火指标气体实验研究 J.矿业安全与环保，2019，46（02）：1-5.7 王文清，邢真强，郭佳策.寸草塔煤矿 22 煤层自然发火标志气体及自燃预警值研究J.煤矿安全，2021，52（01）：173-176+183.8 史全林，秦波涛，鲁义，等.布尔台煤矿 42 煤层自然发火规律及防治技术研究 J.煤炭工程，2015，47（08）：68-70+73.9 任晋娟，康显强.高河煤矿 3 号煤层自然发火标志气体研究 J.煤，2019，28（10）：27-29.10 刘乔，王德明，仲晓星，等.基于程序升温的煤层自然发火指标气体测试 J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2013，32（03）：362-366.（上接第 95 页）3.2 注浆加固参数采用小煤柱沿空掘巷，受动压影响，小煤柱煤体内存在大量裂隙。为防止注浆加固时大量浆液进入采空区而造成浪费，设计注浆钻孔深度不超过小煤柱宽度的一半。结合巷帮锚杆索深度，考虑浆液的流动性，确定注浆钻孔深度为 3 m，钻孔直径 32 mm。注浆锚杆每帮每排 3 根，排距 3000 mm，间距 1300 mm，上、下距离顶底板均为 450 mm。注浆锚杆长 3000 mm，上部一根仰角 15，下部一根俯角 10。采用耐固双液注浆材料，注浆压力 8 MPa，预计单孔消耗注浆材料 0.124 t。4 应用效果分析隆博煤矿采用小煤柱沿空掘巷后，巷道围岩虽存在一定程度破坏，但通过巷道顶板、巷帮加强支护以及巷帮注浆加固后，巷道围岩整体性好，围岩变形明显减小。锚杆索受力监测显示，锚杆索受力不大，未出现锚索拉断现象。可见，采用小煤柱沿空掘巷，沿空巷道处于工作面侧向支承压力降低区，巷道支护系统受力稳定，围岩变形可控，能够满足巷道安全使用要求。5 结语通过数值模拟方法，对不同煤柱宽度下沿空掘巷巷道顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量及不同煤柱宽度围岩垂直应力分布情况进行分析。结合隆博煤矿地质情况，综合确定隆博煤矿沿空掘巷煤柱宽度为 8 m。井下工业性试验表明，巷道支护系统受力稳定，围岩变形可控，能够满足巷道安全使用要求。【参考文献】1 曹海彬.窄煤柱沿空掘巷技术关键参数研究与应用 J.煤，2022，31（09）：58-60+64.2 梁玉海，崔光旭，周猛猛.全长锚固锚索支护技术在沿空掘巷的试验研究 J.山东煤炭科技，2022，40（08）：29-31.3 孙晓波.马兰矿 10605 工作面沿空掘巷支护优化技术实践 J.煤炭与化工，2022，45（08）：18-22.4 王鹏腾.台头矿 2S202-1 工作面合理留设煤柱宽度探讨 J.江西煤炭科技，2022（03）：69-71+75.5 刘建军，张焦，靖晓颖.综放工作面护巷煤柱的留设研究与控制技术 J.中国矿业，2022，31（08）：110-117.