台头前湾煤矿沿空留巷小煤柱合理宽度分析_卫小宾.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：以台头前湾煤矿2 S 2 0 2-1综采面小煤柱沿空留巷为研究背景，采用理论计算得出合理的煤柱宽度为7.2m；利用数值模拟软件分析了沿空留巷后不同煤柱宽度下的巷道围岩应力分布特征及塑性破坏区范围；结合现场实际生产条件，最终确定出小煤柱宽度为1 0m；根据现场条件，拟定沿空留巷支护方案；应用表明，该煤柱宽度和支护方案下的巷道变形量小，满足矿井正常生产需求，取得了良好的经济效益。关键词：沿空留巷；煤柱宽度；应力分布；塑性破坏区中图分类号：TD8 2 2+.3文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 3 1-0 3Analysis on Reasonable Width of Small Coal Pillar for Gob-side Entry Driving in Taitou Qianwan CollieryWei Xiaobin(Taitou Qianwan Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Xiangning Coking Coal Group,Xiangning,Shanxi 0421030)Abstract:Taking the small pillar gob side entry retaining in the 2S202-1 fully mechanized face of Taitou Qianwan Colliery as theresearch background,the paper theoretically calculates the reasonable width of coal pillar is 7.2 m,analyzes the stress distributioncharacteristics and the range of plastic failure zone of roadway surrounding rock under different pillar widths after gob side entryretaining by using numerical simulation software,and finally,determines the width of small coal pillar to be 10 m,and proposesthe support scheme of gob side entry,whose application shows that the roadway deformation is small,can meet the normalproduction demand of the mine and obtain good economic benefits.Key words:gob-side entry driving;coal pillar width;stress distribution;plastic failure area台头前湾煤矿沿空留巷小煤柱合理宽度分析卫小宾（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司，山西乡宁0 4 2 1 0 3 0）1工程概况台头前湾煤矿现主采2#煤层，位于山西组下部，煤层厚度为2.8 3.3 8m，平均为3m，煤层倾角平均为5，含0 2层夹矸，煤层结构简单，但节理裂隙较为发育，煤质松软。该矿上下顺槽之间一般留有2 5 3 0m的宽煤柱护巷，大量的宽煤柱难以回收，使得煤炭资源损失严重。为了安全高效地回收遗留煤柱，该矿决定在2 S 2 0 2-1综采工作面进行小煤柱沿空留巷试验。该工作面倾向长度7 5m，走向长度3 3 2m，埋藏深度为1 8 9m，工作面位于运输大巷以南，北为采空区，西、南为保安煤柱，东侧为2 S 2 0 2工作面。工作面煤层顶底板情况如表1所示。2煤柱宽度分析小煤柱沿空留巷围岩变形能否得到有效控制的关键在于合理煤柱宽度的选取，根据巷道围岩应力分布机理，小煤柱留巷应尽量满足以下条件：1）留巷围岩整体较稳定，锚杆支护范围内的围岩相对完整，没有较大范围的松动圈，保证锚杆充分发挥支护作用。2）在保证巷道围岩稳定的基础上，尽可能多回收遗留煤炭资源。3）所留煤柱具有有效的弹性核区，能够有效隔绝采空区瓦斯等有害气体的溢出，保证通风安全。4）通过合理的煤柱宽度，将巷道布置在侧向支承压力的降低区内，有利于巷道的维护。2.1理论计算通过极限平衡理论计算煤柱宽度，如图1所示，可将合理煤柱宽度划分为3个区域，分别为：巷道开挖后的巷帮围岩破裂区X1；上个工作面回采后，采空区侧煤柱边缘的塑性区X2；煤柱内完好的弹性区X3，有利于锚杆（索）的锚固。顶底板厚度岩性特征老顶7m主要由深灰色泥岩、粉砂岩组成直接顶3 5m主要为黑灰色泥岩、粉砂岩及细粒砂岩组成伪顶0 0.0 4m黑灰色泥岩底板2m多为泥岩，局部为粉砂岩、砂岩次之表1煤层顶底板岩性3 1江西煤炭科技2023年第1期图1小煤柱分区破裂区X1的计算公式为1-2：X1=B(M+Cc o t)(1-s i n)x1-s i n 2 s i n（1）式中：B为巷道宽度；M为埋深；C为围岩黏聚力；为内摩擦角。采空区边缘煤柱塑性区宽度X2的计算公式为3：X2=mA2 t a n 0（KH+C0/t a n 0）C0/t a n 0+P0/A（2）式中：A为侧压系数；0为煤体内摩擦角；C0为煤体黏聚力；K为应力集中系数；H为巷道埋藏深度；为岩层平均体积力；P0为上区段平巷支架对下帮的支护阻力。煤柱内弹性区X3为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱宽度富余量，一般按（X2+X3）值的3 0%5 0%计算。则小煤柱合理的宽度D为4：D=X1+X2+X3（3）将该矿的相关参数带入（1）（3）式，得出该矿沿空留巷合理小煤柱宽度为7.2m。2.2模拟分析利用F L A C3 D有限差分模拟软件，根据该矿生产地质条件，选择5m、7m、9m、1 0m四个煤柱宽度方案进行模拟，在给定支护条件和围岩力学参数条件下，只考虑煤柱宽度对煤柱稳定与巷道变形的影响，通过对计算结果的应力分布规律及变性特征分析，选择最优煤柱宽度5。（1）煤柱宽度对巷道围岩垂直应力分布巷道掘进期间不同煤柱宽度上区段工作面回采后垂直应力演化分布规律与垂直应力分布云图如图2所示。由图2可知，四种煤柱宽度下，采空区侧4 0m范围内的应力大小基本一致，最大侧向支承压力位于采空区边缘8m左右，峰值大小为7 7M P a。在留巷实体煤侧，最大应力峰值为2 7M P a，距巷帮4m左右。煤柱宽度从5m增加到7m时，煤柱内的最大支承压力随之增加，仅出现一个峰值；而煤柱宽度在9 1 0m时，煤柱内的最大支承压力为2 9M P a，并且出现两个峰值，且随着煤柱宽度的增加，两个峰值的间距也会变大，9m以上煤柱内出现双峰值，即马鞍形的应力分布特征，表明该宽度煤柱下的弹性核区范围较大，具有良好的承载能力，巷道的稳定性较好。（a）5 m煤柱（b）7 m煤柱（c）9 m煤柱（d）10 m煤柱图2不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力分布（2）不同煤柱宽度下的巷道围岩塑性区范围图3为不同煤柱宽度下的巷道围岩塑性区分布特征。3 2江西煤炭科技2023年第1期（a）5 m煤柱（b）7 m煤柱（c）9 m煤柱（d）10 m煤柱图3不同宽度煤柱下巷道塑性区分布由图3可知，煤柱的宽度越大，其承载性能越高，塑性区分布的范围也越小。当煤柱宽度小于9m时，在采动应力的作用下，煤柱的塑性破坏范围较大，巷道靠采空区侧的破坏严重，不利于巷帮的支护；当煤柱宽度达到9m后，巷帮侧的破坏情况有所好转，且煤柱的弹性核区范围增大。综上所述，7m以上煤柱都具有一定的承载能力，从经济合理性以及侧向支承压力分布与应力集中等方面综合考虑，确定合理煤柱宽度为7m以上；但从塑性区以及防治瓦斯的角度来看，5m煤柱完全为塑性区，7m煤柱与新巷之间的塑性区连接虽然有所减少，但也有可能使瓦斯沿裂隙涌出；9m煤柱以上出现弹性核区，若考虑塑性区在上区段瓦斯的影响下不利于安全生产，煤柱应选择在弹性核区9 m以上的宽度，最终确定合理小煤柱宽度为1 0m。3巷道支护技术巷道支护采用锚杆、锚索加钢带支护技术。顶板采用5根锚索支护，锚索采用1 1 9股高强度低松驰钢绞线剪切而成，间距11 0 0mm，排距15 0 0mm，搭配W钢带与菱形网，与顶板垂直打注。顶 锚 杆 数 量6根，间 距10 0 0mm，排 距15 0 0mm，搭配W钢带与菱形网，锚杆均为全长锚固，预紧力应大于2 0 0k N。巷道两帮采用锚杆、锚索联合支护。其中帮锚杆间排距为10 0 0mm12 0 0mm，顶排锚杆在距离顶板2 5 0mm处与水平线呈5 倾斜安装，底排锚杆在距底板5 0 0mm处向下倾斜5 安装，中间的几排锚杆均垂直于巷帮安装。锚索每排布置两根，间排距为22 0 0mm24 0 0mm，并配合钢带安装。4应用效果为了分析2 S 2 0 2-1工作面沿空留巷小煤柱宽度的合理性，在留巷内距工作面每隔1 0 0m布置一组位移监测系统，共布置1 0组，监测在其在掘巷及回采期间的围岩变形情况。监测结果表明，在掘进期间，顶板的最大下沉位移量为9 0mm，两帮有一定的收敛，最大位移量为2 0 0mm；在回采期间，超前工作面2 0 0m左右范围外的巷道围岩基本稳定，在超前工作面0 2 0 0m范围内的巷道，顶板下沉量控制在1 2 0mm内，两帮位移量控制在3 0 0mm左右，底板有底鼓现象，但总体在安全范围内，能够满足工作面生产需求。5结语为了更大程度地回收煤炭资源，根据2 S 2 0 2-1工作面的赋存特征，采用传统极限平衡理论计算煤柱宽度，得出宽度理论值为7.2m；利用F L A C3 D数值模拟软件对比分析了5m、6m、7m、8m、9m、1 0m煤柱宽度下的巷道围岩应力分布特征及塑性破坏区范围，得出合理煤柱宽度应在9m以上；结合现场生产实际，最终确定煤柱宽度为1 0m，拟定沿空留巷支护方案。2 S 2 0 2-1工作面沿空留巷支护方案应用结果表明，留设宽度1 0m的煤柱并实施支护方案后，可以有效控制巷道围岩变形，能够保证工作面正常生产。（下转3 6页）3 3江西煤炭科技2023年第1期参考文献：1 张炜，张东升，陈建本，等.孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩变形控制J.徐州：中国矿业大学学报（自然科学版），2 0 1 4，4 3（1）：3 6-4 2，5 5.2 刘增辉，高谦，华心祝，等.沿空掘巷围岩控制的时效特征J.徐州：采 矿 与 安全 工 程 学报，2 0 0 9，2 6（4）：4 6 5-4 6 9.3 张世国，李中伟.特厚煤层小煤柱沿空掘巷支护技术研究J.北京：煤炭工程，2 0 2 1，5 3（7）：5 5-5 8.4 梁洁，张磊，徐青云，等.大采高采场切顶卸压小煤柱护 巷 技 术 研 究 与 应 用 J.重 庆：矿 业 安 全 与 环 保，2 0 2 1，4 8（3）：7 9-8 4.5 张宝优.极近距离煤层错层位巷道布置方式及围岩控制技术研究J.北京：煤炭科学技术，2 0 2 1，4 9（8）：8 8-9 5.作者简介：卫小宾（1 9 8 4），男，山西乡宁人，2 0 1 4年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，工程师，现从事采掘管理技术工作。收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 7编辑：李永华巷内恒阻大变形锚索支护、巷道顶板预裂切缝爆破、动压影响区临时加强支护、巷旁挡矸支护等技术手段实现原回采巷道的维护，供下一个工作面正常使用3-4。按照1 5号煤层1 5 3 3 0 7和1 5 3 3 0 9工作面巷道布置调整对比，分析比较无煤柱自成巷成功解决采掘接替难题，如图1、图2所示。原设计1 5 3 3 0 8工作面采用“一面三巷、一进两回”布置，1 5 3 2 1 5巷担负进风出煤任务，1 5 3 2 1 6巷担负回风辅助运输任务，1 5 3 2 1 6副巷担负回风任务。其中走向长度7 3 0.9m，倾斜长度1 5 0m，停采线6 2.5m，煤层厚度2.6 7m，可采储量为0.3 8 9M t，回采1 5 3 3 0 8工作面1 5 3 2 1 5、1 5 3 2 1 6巷报废，回采1 5 3 3 0 9后，1 5 3 2 1 7、1 5 3 2 1 8、1 5 3 2 1 6副巷均 报 废，即 回 采0.7 7 8 M t，需 至 少 消 耗 巷 道40 1 4.5m。采用“无煤柱自成巷工法”后，1 5 3 3 0 8工作面采用1 5 3 2 1 5巷担负主进风，1 5 3 2 1 6巷担负辅助进风、主运和辅助运输，经过下一个工作面1 5 3 3 0 9工作面切眼经1 5 3 2 1 8巷回风。结合矿井实际，1 5 3 3 0 8、1 5 3 3 0 9工作面倾斜长度确定1 8 0m，并且1 5 3 3 0 9可以多采1 4m。为了便于比较，工作面走向长度定为7 3 0.9m，停采线6 2.5m，煤层厚度2.6 7m，可采储量为0.4 6 7M t，回 采1 5 3 3 0 8工 作 面1 5 3 2 1 5报 废，1 5 3 2 1 6巷采用切顶、挡矸、补强进行留设复用到1 5 3 3 0 9工作面，即回采0.9 3 4M t，仅需消耗巷道18 2 1.8m。寺河煤矿二号井采用系统思维解采掘接替紧张难题，将掘进单进水平提升困难转化成降低采煤面巷道消耗量的来进行探索。寺河煤矿二号井采用“无煤柱自成巷工法”降低巷道消耗量，减少矿井需要的掘进总量，来解决采掘接替紧张的难题。3实施效果表2实施效果对比项目矿井产量巷道布置工作面长度/m消耗巷道总量/m万吨掘进率m/（万t）接替情况1.8 0Mt/a一面三巷1 5 01 41 7 57 8.7 5难3.0 0Mt/a一面三巷1 5 02 24 3 17 4.7 7难3.0 0Mt/a无煤柱自成巷1 8 080 2 52 6.7 5易4结语寺河煤矿二号井通过将回采工作面倾向长度由1 5 0m加长到1 8 0m，采取以“无煤柱自成巷工法”为主要内容的新技术，矿井年消耗巷道总量由原2 2 4 3 1m减少至80 2 5m，万吨掘进率由原来的7 4.7 7m/万t降低到2 6.7 5m/万t，较好地解决了采掘接替紧张的难题。参考文献：1 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议J.北京：煤炭科学技术，2 0 0 6（1 2）：7 8-8 1.2 白宇.寺河矿二号井薄煤层加长工作面的技术研究J.江西煤炭科技，2 0 1 5（2）：2 7-2 8.3 霍振龙.寺河煤矿二号井切顶卸压沿空留巷技术应用研究J.山西煤炭，2 0 2 1，4 1（1）：6-1 0，3 2.4 白宇.煤矿巷道锚杆支护技术应用探讨J.江西煤炭科技，2 0 1 8（1）：7 7-7 9.作者简介：白 宇（1 9 8 2），男，山西忻州人，工学学士，高级工程师，现从事生产技术管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 3编辑：廖文德（上接3 3页）3 6