综放沿空掘巷护巷煤柱宽度研究

综放沿空掘巷护巷煤柱宽度研究

胡成林

山西石泉煤业有限责任公司山西长治046200

摘要：根据煤岩层物理力学属性，利用UDEC数值模拟软件，分析不同宽度条件下护巷煤柱应力分布及巷道围岩位移变化特征，进而确定沿空掘巷的合理煤柱宽度。研究实践结果表明，护巷煤柱宽度在9m时，巷道围岩变形最小，两帮移近量，顶板移近量，护巷煤柱宽度由25m降低至9m，多采出煤炭9万t左右，直接经济效益5000万元。

关键词：数据模拟；沿空掘巷；巷道支护；煤柱宽度；巷道变形

前言

近年来，随着煤炭资源开采强度的增加，我国许多矿区面临资源枯竭和接替紧张的局面，为了提高煤炭资源回收率、缩短巷道掘进准备时间、延长生产矿井服务年限，工作面回采巷道多采用留窄煤柱沿空掘巷的方式。然而护巷煤柱留设宽度不合理，则会造成巷道掘进期间、回采期间反复维修，增加了成本投入，工程接序无法保证，因此，合理确定护巷煤柱宽度，是综放沿空掘巷能否取得成功的关键因素[1-3]。

山西石泉煤业有限责任公司综放工作面多采用大煤柱护巷技术，一般宽度为25m，虽然保证了工作面采掘期间巷道整体稳定性，但煤炭资源浪费较为严重，公司提出在30108综放工作面实施窄煤柱护巷技术，沿空掘柱护巷煤柱宽度一般选取3-5m，但因区段煤柱间存在瓦斯钻场，不能凭经验来确定。通过数值模拟，分析不同护巷煤柱宽度下护巷煤柱受力状态、巷道变形特征，从而确定最优煤柱宽度，结合锚梁网联合支护，最大程度保证巷道整体稳定性，实现矿井安全掘进[4-5]。

1工程概况

石泉煤业30108轨道顺槽沿3#煤层底板掘进，设计长度916.58m，巷道设计断面为矩形，净宽×净高为4800mm×3300mm。东侧为30102采空区，西侧为实体煤，覆岩厚493-577m。所采煤层厚5.05～6.25m，平均5.65m，煤层倾角5～70，属于不易自燃煤层。顶板为泥岩、细粒砂岩和砂质泥岩，平均厚度3.2m，底板为粉砂岩和砂质泥岩，平均厚度为2.5m。

2模拟方案

2.1模型建立

模拟选取100m（宽）×50m（高）区域进行研究，煤岩层倾角选取6°，煤层覆岩厚度550m，按照上覆岩层平均容重为25kN/m3，模型上覆岩层500m以应力代替，施加覆岩垂直应力12。5MPa，模型两侧及底边采用位移边界条件，为固定边界，上边界采用应力边界条件，计算模型如图1所示。

图1计算模型

2.2模拟方案及测点布置

煤柱宽度选为5m、6m、7m、8m、9m、10m，对不同煤柱宽度下煤柱应力分布及巷道围岩变形等进行系统模拟分析，在窄煤柱和巷道表面围岩处布置测点对煤柱内应力和巷道围岩变形进行监测。

2.3模拟过程

第一步，施加垂直应力，使模型达到原岩应力平衡状态；

第二步，模拟不同宽度煤柱下应力分布及巷道围岩位移矢分布特征；

第三步，根据不同煤柱宽度下应力分布特征，确定围道围岩变形最小时护巷煤柱宽度，进行确定最佳护巷煤柱宽度。

3不同巷道宽度下围岩变形特征

3.1煤柱承载能力

不同宽度下煤柱及周围煤岩体中的垂直应力场分布情况如图2所示。

煤柱宽9m煤柱宽10m

图4巷道围岩位移矢量分布巷道围岩弹塑性区分布显示了巷道围岩破坏的类型和破坏程度，位移矢量图则反映了巷道围岩变形程度的大小顶板和窄煤柱侧帮是巷道围岩主要变形区域，顶底板以拉伸破坏为主，两帮则以剪切破坏为主。随着煤柱宽度增加，巷道围岩变形程度逐渐减小。

将护巷煤柱7-10m时，巷道围岩变形监测数据导出，经处理后得到巷道表面围岩变形量随煤柱宽度的变化曲线，如图5所示。

图5巷道表面围岩变形量随煤柱宽度的变化曲线

随着煤柱宽度的增加，巷道顶底板移近量及两帮移近量逐渐减小，当护巷煤柱超过8m后，巷道围岩变化不大。

当护巷煤柱宽5m时，两帮移近量及顶底板移近量分别为1105mm、812mm，当为8m和9m、10m时，轨道顺槽两帮移近量分别为701mm、542mm和540mm，顶底板移近量分别为560mm、491mm和485mm，由此可知当，护巷煤柱超过9m后，两帮移近量及顶底板移近量已变化不大，故护巷煤柱选为9m最为合适，此时顶底板移近量比煤柱宽5m时减小了40.27%，两帮移近量减小了51.13%。

4工程实践

30108轨道顺槽留设煤柱9m，锚梁网联合支护，局部巷道煤壁破碎处采取喷浆加强，巷道掘进完成后，巷道后方两帮移近量最大为542mm，顶底板移近量为428mm，与模拟情况基本一致，巷道保持整体稳定性。

5结论

不同宽度护巷煤柱均具有一定的承载能力，在煤柱宽7-10m时垂直应力峰值有所增加且差值不大，煤柱中高应力区范围增加，煤柱中受力状态得到改善，说明护巷煤柱选择在7-10m比较合适。

随着护巷煤柱加大，巷道两帮移近量与顶底板移近量呈现下降趋势，但在护巷煤柱超过9m后，巷道变形收敛趋于平稳，从经济上考虑，护巷煤柱选为9m，经济效果最佳。

确定护巷煤柱宽度，采用锚梁网联合支护，配合局部区域喷浆加固，巷道能够保持整体稳定性，从而取得较好的安全、经济效益。

参考文献：

[1]宋振骐。实用矿山压力控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1988：89-97.

[2]石永奎，郭励生，勾攀峰，等．煤巷巷杆支护[M]．中国矿业大学出版社，1999：186-191.

[3]侯朝炯，李学华．综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J]．煤炭学报，2001，26（1）：1-7．

[4]关英斌，李海梅，金瞰昆.煤层底板采动破坏特征的研究[J]．煤矿安全，2003，34（2）：29-3．

[5]张国庆，黄霆。某矿UDEC数值模拟研究[J]．煤，2010年，06，21-22．