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深部煤层沿空掘巷小煤柱合理尺寸留设研究
摘要：采用实验室实验、数值模拟、现场实验等方式进行研究，确定深部煤层的沿空掘巷小煤柱合理尺寸。通过物理力学实验，获得了淮南矿区丁集矿1121(3)工作面煤岩的密度、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。测量了该区域的地应力，为后续的理论计算、数值模拟提供了可靠的数据。采用数值模拟的方法研究，综合考虑沿空留巷煤柱的应力、竖向位移、塑性区分布特征情况，兼顾煤炭采出率及预防冲击现象，初步确定煤柱宽度为5 m较为合适。工业性实验监测数据显示顶板的位移范围最大值为86 mm，两帮最大范围为145 mm。在一定程度上达到了巷道围岩的控制要求，5 m煤柱尺寸具有一定的科学性与合理性。
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我国煤炭资源较为丰富，资源总量为5.97万亿t,1 000 m以深占53%，随着浅部资源逐渐枯竭，近年来煤炭开采逐渐以10～25 m/a的速度向深部推进，深部地应力高、扰动大、巷道支护难度大、煤炭采出率低。淮南矿区主要可采煤层由下往上分为A、B、C共3组，其中C组煤是各矿井投产时的首采煤层，可采面积逐年减小、储量逐年减少；B组煤为近距离、低透气性突出煤层群，瓦斯治理难度大；A组煤储量大，煤质优，煤层透气性好，被誉为淮南矿区的“新粮仓”。因此，在控制深部巷道围岩稳定的同时，尽可能地开采A组煤是重中之重。
控制采动影响下围岩变形的技术途径主要有提高围岩强度、合理支护、合理布置巷道与工作面空间位置、改变围岩应力分布、降低围岩应力等，达到保护巷道目的。理论与实践表明，应力优化调控是一种主动调控矿山压力的技术，通过优化巷道围岩应力环境达到保护巷道目的。目前较为常用的方法为沿空掘巷留小煤柱的方法，一是控制巷道顶板的应力集中，常用的方法为爆破切顶、水力切顶等新技术，减弱采动与冲击影响，保证巷道安全、减小巷道的维护量；二是增加煤炭的回采率，将煤柱宽度缩小，增大煤炭回收量。针对该种方法，国内外学者做了大量研究。
本文将结合淮南矿区丁集煤矿1121(3）综采面地质情况，通过理论研究、数值模拟、相似模拟、现场工业性实验等方法，探究在该地质情况下的沿空掘巷煤柱合理尺寸及采动应力阻断机理，为深部煤层安全开采提供技术支撑。
1、工程背景
丁集矿1121(3）工作面位于13-1煤层，煤层稳定，结构简单，东高西低，整体为一单斜构造，煤层倾向南西，工作面中西部煤层倾角1°～5°，平均3°，该工作面西侧为东一13-1轨道大巷、东一13-1带式输送机大巷、东一13-1回风大巷，南侧为1131(3）工作面采空区，北侧为未采掘区域。工作面顶底板地质柱状图如图1所示。
图1 工作面顶底板地质柱状图
根据三维地震勘探资料及巷道掘进过程中揭露资料，该工作面回采范围内共发育13条正断层，另工作面初采期间受F151a逆断层及F1121(3)-8正断层影响，小断层、裂隙发育，煤层倾角变化大，煤岩层较破碎。工作面回采过断层期间应采取专项安全技术措施，加强顶板、瓦斯及煤质管理，合理调整回采层位，提高资源回收率。
2、围岩地应力及物理力学参数
2.1 地应力测试
矿井东翼地应力测试位置选在-765 m水平东翼、13-1北辅助运输大巷变坡点上部信号硐室内，共打2个钻孔，采用空心包体应力解除法进行地应力测试工作，具体测试地点如图2所示。
图2 地应力测试位置图
根据实测资料、测点岩石力学性质参数及钻孔的几何参数等，由地应力计算公试分析出1#测点地应力及主应力大小和方向如下：
最大主应力σ1方位角201.34°、倾角-7.4°、大小为34.575 MPa；中间主应力σ2方位角-69.97°、倾角10.2°、大小为18.173 MPa；最小主应力σ3方位角146.68°、倾角77.3°、大小为14.074 MPa。主应力空间矢量关系图如图3所示。
图3 主应力空间矢量关系图
2.2 煤岩物理力学参数
岩样取自淮南矿业集团丁集煤矿1121(3）轨顺距开切眼200 m处，顶底板分别取芯。加工打磨后对煤岩样进行测试，测试结果如表1所示。
表1 顶底板物理力学参数
3、沿空掘巷煤柱合理宽度的数值模拟研究
根据丁集矿1121(3）工作面地质条件建立三维地质模型，模型尺寸为200 m×200 m×92 m，固定模型两端的边界，限制模型底部位移，在模型上部施加19 MPa应力模仿岩石重量，具体煤岩力学参数如表2所示，模拟进风巷在不同煤柱宽度在3、4、5、6、7、8 m时沿空掘巷的围岩应力、位移以及塑性区分布特征。
表2 煤岩力学参数表
(1）不同煤柱宽度下应力特征
1121(3）工作面沿空掘巷留设不同宽度小煤柱应力如图4所示。
图4 不同宽度煤柱垂直应力分布（单位：MPa)
由图4可知，随着煤柱宽度的增大，煤柱内部所承受的应力也随之增大，煤柱留设小于5 m时，内部的应力集聚程度较低，煤柱宽度为3、4 m时，煤柱内部形态较为破碎，承载力弱，承受的应力就较小。当煤柱超过5 m后，煤柱高应力区明显增大，在应力数值和影响范围内都得到了增长，煤柱5 m时内部的应力为11.5 MPa，当煤柱宽度为8 m时，应力激增到26.3 MPa，应力过高易导致突出现象，危险性高，巷道维护困难。
(2）不同煤柱宽度下竖向位移分布特征
1121(3）工作面沿空掘巷留设不同宽度小煤柱竖向位移分布特征，如图5所示。
图5 不同宽度煤柱竖向位移分布特征（单位：m) 下载原图
由图5可知，底板鼓起量随着煤柱宽度的增大而逐渐减小，最大为3 m煤柱时的160 mm，最小为8 m煤柱时的98 mm，两帮位移量和顶板下沉量存在规律一致性，在3～4 m煤柱内增大，在4～8 m煤柱内减小，两帮、顶板最大位移量为4 m煤柱时的354、138 mm，最小为8 m煤柱时的198、85 mm。
(3）不同煤柱宽度下塑性区分布特征
1121(3）工作面沿空掘巷留设不同宽度小煤柱塑性区分布特征，如图6所示。
由图6可知，当煤柱为3、4 m时，因为煤柱明显失去了承载能力，所以煤柱内部贯通，全部产生了塑性破坏，此时要考虑到煤柱是否产生漏风进而导致工作面串风及着火问题。当煤柱为5～8 m时，煤柱的塑性区范围逐渐减小，承载能力逐渐提高，同时兼顾煤炭采出率及预防冲击现象，所以煤柱内部应力应保持在较低位置。
图6 不同沿空留巷宽度煤柱塑性区分布特征
综合考虑沿空掘巷煤柱的应力、竖向位移、塑性区分布特征情况，兼顾煤炭采出率及预防冲击现象，初步确定煤柱宽度为5 m较为合适。
4、工业性实验
1121(3）综采工作面进风巷道沿空掘巷煤柱留设5 m，监测回采期间的巷道围岩变形情况。
根据监测数据显示顶板的位移范围控制在64～86 mm。除此之外底鼓现象不是十分显著，两帮也逐渐呈现出移近的现象，移近范围大约为105 mm，其中最大范围为145 mm，从整体的角度来看支护效果较好，达到了巷道围岩的控制要求，由此也能够推断出该煤柱尺寸具有一定的科学性与合理性。
5、结语
(1）通过物理力学实验，获得了1121(3）工作面煤岩的密度、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。测得了该区域的地应力，为后续的理论计算、数值模拟提供了可靠的数据。
(2）理论分析了沿空掘巷覆岩结构破坏机理，采用理论分析、数值模拟的方法，综合考虑沿空掘巷煤柱的应力、竖向位移、塑性区分布特征情况，兼顾煤炭采出率及预防冲击现象，初步确定煤柱宽度为5 m较为合适。
(3）工业性实验监测数据显示顶板的位移范围最大值为86 mm，两帮移近最大范围为145 mm。在一定程度上达到了巷道围岩的控制要求，由此也能够推断出该煤柱尺寸具有一定的科学性与合理性。
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基金资助:安徽省自然科学基金项目(2108085ME155); 淮南市重点研究与开发计划(2021A05);
文章来源:任帅,肖殿才,罗勇.深部煤层沿空掘巷小煤柱合理尺寸留设研究[J].煤炭技术,2024,43(07):44-47.
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2025-07-07我要评论
期刊名称：矿业工程研究
期刊人气：869
主管单位：湖南省教育厅
主办单位：湖南科技大学
出版地方：湖南
专业分类：煤矿
国际刊号：1674-5876
国内刊号：43-1493/TD
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创刊时间：1980年
发行周期：季刊
期刊开本：16开
见刊时间：4-6个月
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2024-07-03
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