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石泉煤业特厚煤层巷道掘进层位确定及煤柱合理留设宽度研究

2024-12-15 21 上传者：管理员

摘要：针对特厚煤层巷道掘进层位确定及煤柱合理留设宽度的技术难题，从顶板维护、煤体损失等角度对比分析了巷道沿顶掘进、沿底掘进两种方案，采用数值模拟的角度研究了5～10 m这6种煤柱尺寸下的煤柱应力及煤柱塑性区分布特征，最后结合防隔水煤柱留设尺寸确定临近采空区疏放水位。研究结果表明，尽管巷道沿底掘进煤炭损失量偏小，但是从巷道维护等角度出发，选择巷道沿顶掘进；对比分析煤柱宽度5～7 m的煤柱整体承载能力弱，煤柱宽度9～10 m时，煤柱内部应力集中范围和集中程度明显偏大，不利于煤柱的稳定性，综合确定巷道煤柱宽度为8 m,临近采空区探测到的水位不得高于8.73 m。

关键词：
塑性区
煤柱应力
煤柱留设
特厚煤层
防水煤柱
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特厚煤层综放开采已成为我国高产高效采煤工艺之一，留设合理煤柱的情况下，巷道布置的层位选择尤为关键。巷道布置层位及煤柱尺寸的选择尤为重要，尤其是临近采空区的情况下，合理的煤柱设计是确保工作面安全生产的关键。国内外专家采用理论分析、数值模拟、相似模拟等方法，针对煤柱留设开展了大量研究。何满潮、张文杰等[1-2]研究了无煤柱自成巷力学原理，形成了无煤柱自成巷110/N00工法开采体系。殷帅峰等[3]运用理论分析研究了考虑煤层倾角的煤柱应力场，以不超过内应力场范围为条件，确定了煤柱留设尺寸。王朋飞等[4-5]提出了负煤柱沿空掘巷条件下的围岩变形控制原理，并给出了确定巷道位置的方法。杨勇[6]采用理论分析、数值模拟等方法研究了特厚煤层综放工作面上覆岩层移动变形特征，综合确定了小煤柱留设宽度。魏启明等[7]研究了小煤柱条件下的巷道围岩变形影响因素，分析指出一次采动影响下巷道呈现出不对称变形。煤柱留设的前提是确保相邻采空区的瓦斯、采空区水等涌入回采的工作面，因此，部分专家从防隔水煤柱留设的角度开展了相关研究。李竹等[8]从隔水煤柱采动渗流影响下的煤柱阻水能力和稳定性演化规律的角度出发，确定了兼顾阻水、渗水作用的隔水煤柱尺寸计算方法。邹光华等[9]运用极限平衡理论和数值模拟综合研究的方法确定了煤柱内屈服区和塑性区宽度基本稳定时的煤柱尺寸，并将其作为陷落柱防水煤柱留设尺寸。杨宏宇等[10]利用煤柱防水侧塑性区宽度的计算公式，确定防水煤柱合理的理论宽度30 m,保障了工作面安全回采。王志强等[11]在煤层屈服区计算时，考虑了覆岩移动角度的影响，优化了防水煤岩柱尺寸。刘少伟等[12]采用数值模拟研究了含水采空区掘巷煤柱稳定性相关因素，并计算了护巷煤柱合理宽度。综上所述，国内专家针对煤柱留设尺寸等方面开展了大量研究工作，但兼顾巷道层位选择、煤柱留设尺寸和防隔水煤柱留设要求的研究较少，因此，针对特厚煤层顶底板岩性特征、煤柱塑性区变形量和煤柱应力分布特征进行巷道层位及煤柱留设尺寸设计，同时考虑了防隔水煤柱留设尺寸的要求，最终确定巷道掘进层位和煤柱留设尺寸。

石泉煤业位于山西省长治市襄垣县夏店镇，属于沁水煤田东南部潞安矿区，主采下二叠系山西组3号煤层，煤层厚度5.75～6.05 m。30108工作面主采3号煤层，煤层平均厚度5.65 m,轨道顺槽巷道高度设计3.3 m,因此，巷道掘进过程中不仅面临着沿顶掘进以及沿底掘进，而且还面临着相邻采空区水的威胁。文中采用方案对比研究确定了巷道掘进层位，在此基础上，采用数值模拟的方法对巷道煤柱留设尺寸进行了研究，确定合理的煤柱尺寸，以防隔水煤柱留设尺寸为依据，采用理论分析确定临近采空区允许巷道掘进的水位高度，为特厚煤层小煤柱巷道安全掘进提供依据。

1、30108工作面基本情况

石泉煤业地面大部为低山丘陵区、区内黄土梁、冲沟分布广泛，30108工作面位于301采区西部，工作面倾斜宽度171 m,设计推进长度916.58 m;工作面东侧为30102采空区，邻近工作面30102工作面埋深493～577 m;工作面南侧为轨道下山，西侧和北侧均为实体煤。工作面开采二叠系山西组3号煤层，煤层平均厚度5.65 m。30108轨道顺槽巷道断面为矩形4 800 mm×3 300 mm(宽×高)。3号煤层顶板岩性以砂岩、细砂岩为主，底板岩性以泥岩、砂质泥岩为主。

2、特厚煤层巷道掘进层位确定

巷道掘进方式如图1所示，煤厚平均为5.65 m,巷道高3.3 m,回采巷道长916.58 m,取工作面回采长度为800 m,工作面长为172 m, 3号煤层密度为1.42 t/m3。当轨道顺槽沿底掘进时，端头处有5架支架不放顶煤，且一架支架部分位于轨道顺槽内，残留煤的面积15.86 m2,丢煤1.80万t,工作面可采煤量110.40万t,丢煤1.63%;当巷道沿顶掘进时，基于刮板输送机、采煤机和液压支架防倒滑的技术措施，轨道顺槽转向工作面的坡脚定为15°,此时丢煤面积为39.29 m2,丢煤4.46万t,丢煤4.03%。

图1巷道掘进方式

虽然沿顶掘进比沿底掘进多丢煤2.66万t,但巷道沿顶掘进时巷道围岩较为稳定，顶板坚硬，锚杆(索)锚固效果好，无明显的顶板变形，巷道沿顶板掘进较沿底掘进，所需的支护材料少，且降低了巷道返修的风险，同时巷道底鼓进行卧底又可回收一部分煤炭，减少了丢煤量。根据巷道围岩变形特征和经济效益分析，确定30108轨道顺槽沿顶板掘进。

3、煤柱稳定性数值模拟研究

近年来，随着数值模拟技术的不断发展，岩土工程常用采用有限差分法、离散元法、有限元法等方法，离散元法以UDEC、3DEC应用最为广泛。UDEC主要用于模拟静载或动载条件下非连续介质的力学行为特征[13]。以30108工作面、30102工作面和相邻煤岩体为研究对象，构建300 m×100 m的平面模型，岩层倾角选择为6°。模型两侧和底板采用位移边界，上边界采用应力边界条件。按照上覆岩层容重23 kN/m3和煤层埋深反算施加在模型上边界的垂直应力为10.27 MPa。模型采用摩尔-库伦准则进行计算。

文中重点针对沿顶板掘进巷道时的煤柱应力及塑性区分布范围开展数值模拟研究工作，分析煤柱应力及塑性区、巷道周边塑性区变形量等，具体如图2、3所示。

3.1 不同煤柱宽度条件下煤柱应力分布特征

不同煤柱宽度条件下，煤柱承载的应力呈现出较大的差异性，当煤柱具备稳定承载上覆岩层应力时，说明煤柱内存在处于弹塑性状态、仍具有一定承载能力的煤岩体，具体如图2所示。

由图2可知，煤柱宽5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m时的应力峰值均大于原岩应力，表明煤柱没有发生完全破坏。随着煤柱宽度的不断增加，煤柱内部的应力集中程度和应力集中范围逐渐增大。

图2煤柱中垂直应力分布

3.2 煤柱弹塑性区分布特征

为进一步剖析煤柱的弹塑性状态，研究煤柱的弹塑性区分布特征，具体如图3所示。

图3中圆圈代表拉伸破坏，米字符号代表剪切破坏。随着煤柱宽度的增加，煤柱中剪切破坏区域所占比例逐渐减小。煤柱宽5～7 m时，煤柱塑性破坏区贯通，煤柱宽8 m时，煤柱中未破坏范围为4 m,煤柱宽9 m和10 m时，煤柱中未破坏区域进一步增加。煤层两侧以拉伸破坏为主，内部为剪切破坏。煤柱中剪切破坏区域约为5 m,煤柱表面拉伸破坏区域为1 m。

综合煤柱应力和煤柱弹塑性区分布特征可知，煤柱宽度5～7 m时，塑性区分布范围相对较大；而煤柱宽度9～10 m时，虽然煤柱内塑性区范围得到有效控制，但煤柱内应力集中程度和应力集中范围明显偏大，不利于保持煤柱持续的稳定。

4、临近采空区水害防治技术研究

根据《煤矿防治水规定》选用下列防隔水煤柱留设尺寸计算公式，反算8 m煤柱可承受的采空区水头压力

式中，L为煤柱留设的宽度，m;K为安全系数，3.5;M为煤层厚度或采高，5.65 m;p为水头压力，MPa;Kp为煤的抗拉强度，0.4 MPa。

经计算，当30108轨道顺槽与30102轨道顺槽保护煤柱8 m时，可承受的水头压力为0.087 3 MPa,水头高度为8.73 m。30108轨道顺槽掘进过程中，通过超前探钻孔揭露的30102工作面采空区积水，当反算确定水头高度高于8.73 m时，需要提前进行采空区水疏放，达到相关要求时，方可继续掘进。

30102工作面采空区密闭通过30102胶带顺槽密闭墙前返水管流水，经实测，涌水量稳定在4 m3/h左右。经实测数据分析，30102工作面采空区积水井下标高最高为+418 m。巷道30108工作面轨道顺槽煤层底板标高为+390～+410 m,探测的30103工作面采空区积水标高不满足防隔水煤柱留设的水压要求。在巷道掘进过程中，针对揭露的30102工作面采空区积水，提前施工U型管路进行疏排水。通过课题的研究，保障了为30108工作面轨道顺槽安全掘进。

图3巷道围岩弹塑性区分布

5、结论

(1)3号煤层顶板围岩较3号煤层更为稳定，有利于巷道维护。尽管30108工作面轨道顺槽沿顶掘进比沿底掘进存在煤炭损失的问题，但综合巷道围岩变形和经济效益等因素，确定30108轨道顺槽沿顶板掘进更为合适。

(2)采用数值模拟分析得出煤柱5～7m时，煤柱塑性区范围较大；煤柱宽度增大到9～10 m时，煤柱内部应力集中程度明显增大，综合煤柱塑性区分布范围和应力集中程度，选择煤柱留设宽度为8 m。

(3)通过理论计算确定的煤柱宽度8m时，30102工作面采空区积水水头高度不得高于8.73 m,否则需要提前进行疏放水后再进行掘进。

参考文献:

[1]何满潮,高玉兵,盖秋凯,等.无煤柱自成巷力学原理及其工法[J].煤炭科学技术,2023,51(1):19-30.

[2]张文杰,何满潮,王炯,等.逆断层影响下无煤柱自成巷矿压规律及围岩控制[J].煤田地质与勘探,2023,51(5):1-10.

[3]殷帅峰,康庆涛,郑鑫健,等.缓倾斜煤层斜梯形巷道沿空煤柱宽度及围岩控制研究[J].煤炭工程,2023,55(8):32-38.

[4]王朋飞,常通,卢俊宇,等.再论负煤柱巷顶沿空掘巷合理位置及其围岩主动控制原理[J].煤炭学报,2023,48(2):593-608.

[5]王朋飞,刘佳男,冯国瑞.负煤柱长壁工作面底板应力分布及破坏特征[J].岩石力学与工程学报,2023,42(1):194-211.

[6]杨勇.特厚煤层综放工作面小煤柱留设宽度研究[J].采矿技术,2023,23(1):21-25.