特厚煤层综放工作面小煤柱护巷研究

特厚煤层综放工作面小煤柱护巷研究殷培东彬县水帘洞煤炭有限责任公司，陕西彬县713500摘要：以水帘洞煤矿3805综放工作面为研究背景，通过理论计算区段煤柱的极限平衡宽度，数值模拟分析巷道周围矿山压力及矿山压力显现并结合现场地质条件，认为下区段运输巷应采用小煤柱护巷且适宜的煤柱宽度为7m，在保护巷道防风挡矸的基础上又能提高煤炭资源的回采率，最大限度的使矿井安全高效生产。关键词：特厚煤层；综放工作面；小煤柱护巷随着综放技术的发展，越来越多的特厚煤层采用综合放顶煤一次采全高采煤法进行回采，在高产高效的同时，也带来了一些问题。其中，随着煤层厚度的增加及煤炭资源日渐枯竭，煤柱的留设问题已不容忽视。传统意义上的煤柱，尽管能够很好的起到保护煤柱，隔离采空区的作用，但是一般传统煤柱宽度都在20m左右，在厚煤层开采中还要再宽一些，因此就造成保护煤柱煤炭资源损失较多，且在一些有冲击危险的矿井中由于煤柱引起的矿山压力集中容易造成冲击灾害的发生，所以传统煤柱在特厚煤层放顶煤工作面适用性较小。小煤柱护巷是指巷道与采空区之间保留5~8m宽煤柱[1]，那么对于特厚煤层“小煤柱”护巷的合理宽度是多少，还需要进一步研究[2-5]。1工程背景3805工作面位于三采区3807采空区以南，南与设计未开采的3803工作面为邻，西至矿井边界煤柱与大佛寺煤矿井田为邻，东至本面停采线，设计停采线自三采回风大巷西预留50m煤柱。本作面走向长2120m，工作倾向长147m，煤层平均厚度14.18m，煤层倾角平均2-5°，容重1.37t/m3，留2.2m底煤，采用采用走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤工艺进行开采，全部垮落法处理采空区顶板。全工作面地质储量605.4万吨，可采储量545万吨。工作面基本顶以中砂岩、泥岩为主，直接顶以细砂岩为主，底板多为铝质泥岩，次为泥岩或炭质泥岩，遇水膨胀，易发生底鼓，属不稳定底板，具体顶、底板参数见表1。表1煤层顶底板特征表顶板名称岩石名称厚度（M）岩性特征基本顶中-细粒砂岩18.38底部中、细砂岩：灰白色。厚度2.91m,主要成分长石、石英，含白云母片，泥质胶结，质较纯，分选好。含植物化石夹煤线，中部垂直裂隙较发育，但无水蚀痕迹现象。岩芯完整。上部粉、细砂岩：灰—深灰。厚度17.28m,上部粉砂岩为主，夹细砂岩薄层，互层状，波状层理，含植物化石。直接顶泥岩、砂质泥岩6.22粉、细砂岩：浅灰色。细砂岩为主，互层状。波状层理，含植物化石及块状FeS2，断口较平整。直接底砂质泥岩3.28砂质泥岩：灰黑色。泥质为主，含砂质及炭质，炭化植物清晰，采取率低。为较软底板岩石，遇水膨胀，易发生底鼓，属不稳定底板。基本底泥岩15深灰色泥岩，厚层状，节理发育，具角砾状、团块状。2理论计算xσyⅠⅡx0ABCDKγHγH图1煤柱（体）的弹塑性变形区及铅直应力分布І——弹性应力分布；Ⅱ——弹塑性应力分布A——破裂区；B——塑性区；C——弹性应力升高区；D——原始应力区上区段工作面回采后，沿工作面倾向煤体内侧向支承压力重新分布，形成如图1所示的支承压力分布。下区段保护煤柱在尽量提高回采率的同时又要防止向采空区漏风，避免采空区发火等灾害的发生，所以合理的小煤柱宽度至关重要。根据岩体的极限平衡理论，可以计算出煤体塑性区的宽度：0010cotln2(cot)KHCmxfpC式中：K为应力集中系数，取2.5；p1为支架对煤帮的阻力，取0；m为煤层开采厚度，取12m；C0为煤体的粘聚力，取2Mp；φ为煤体的内摩擦角，取33°；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；ξ为三轴应力系数，1sin1sin。将工作面参数代入公式计算可得x0为5.24m，因此考虑到锚杆长度和富余系数，取煤柱宽度为7m。3数值模拟分析根据3805工作面的地质情况，建立FLAC3D数值模拟模型，整个模型尺寸（长×宽×高）为330m×120m×116m，共120600个单元体和130355个节点，模型两端和底部固支，顶部按煤层埋深700m施加载荷，模拟工作面长度150m，煤厚14m，推进距离为60m，如图2所示。通过模拟不同宽度煤柱（4m、6m、8m、10m、12m），分析在不同煤柱宽度时煤柱内压力和塑性区分布及巷道围岩运移特征，最终得到适合工作面3805的小煤柱留设方案。图2FLAC模拟模型3.1工作面回采期间巷道压力分布特征模拟工作面在走向推进20m达到周期来压步距时，分别对于不同宽度煤柱沿中部进行监测支承压力值，统计并进行比较，如图3所示。由图3可知，当煤柱从4m变为16m时，煤柱内压力逐渐变大，从12.2Mpa增加到30.4Mpa；当煤柱宽度小于6m时煤柱几乎全部被压碎，成为破裂区，煤柱的支撑强度有限；当煤柱宽度为8m时，最大支承压力为19.3Mpa，比原始应力略高，虽然也有很大塑性区但还是有一定的弹性区存在，所以有一定的支撑强度；当煤柱大于8m时，煤柱内应力迅速增加，处于高应力区，不利于煤柱的支护，造成应力集中，存在冲击危险隐患。图3工作面回采期间巷道内垂直应力分布3.2工作面回采期间巷道围岩变形特征煤柱煤壁向巷道内水平位移特征如图4所示。由图4可知，当煤柱小于6m时由于煤柱内部被压酥，有一定的流动性，所以位移较7m时大，当煤柱宽度大于7m时，由于煤柱垂直应力增大，煤柱边缘破碎，向巷道内的位移逐渐增大。由图5可知，随煤柱宽度增加顶板下沉量和底板底鼓量都增加，但是小于7m时增加的幅度较小而大于7m时增加幅度较大。图4煤柱煤帮位移特征图5巷道顶板下沉量和底鼓特征4巷道支护3805回风顺槽主要用于工作面回风、运送物料、管线敷设等，设计为矩形断面，净宽4.0m，净高3.5m，净断面为14m2。巷道采用锚网带联合支护，锚索加固。顶板锚杆间排距为900×1000，两帮锚杆间排距为1200×1000mm，锚索单排布置，锚索排距为5000mm，顶板破碎段锚索排距为2000mm。局部顶板破碎带、断层及压力较大区域采用锚索、U型棚（U29型）联合支护。锚杆采用Ф20×2200mm全螺纹钢等强锚杆，每根锚杆依次使用一根K2335和一根Z2360锚固剂锚固，锚固长度不小于1050mm，锚盘规格为长×宽×厚=150×150×10mm，网采用10#铁丝加工而成的菱形金属网，网格为50×50mm，宽度1100mm，长度5200mm。锚索采用Ф17.8×6300mm钢绞线，每棵锚索采用两棵K2335及两棵Z2360树脂锚固剂锚固，锚索托盘采用16＃槽钢加工，长度500mm，配长×宽×厚=120×120×10mm钢托盘。钢带选用型号为W280×3×3900-900-5。5结论综上所述，3805回风顺槽采用7m小煤柱护巷，在提高煤炭回采率的同时，又能很好的起到隔离采空区的作用，同时由于本矿井为高瓦斯和弱冲击危险性，对避免灾害的发生有很大的作用。由于煤柱宽度较小，且受到采动影响较大，煤柱存在大量塑性区，相比传统煤柱支护难度更大，所以要做好巷道及时支护，保证巷道有较高的支护强度，做好安全高效生产。参考文献[1]钱鸣高,石五平.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.[2]柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20):3475-3479.[3]明俊智.综放沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].煤炭技术，2010，29（12）:72~73.[4]于洋,柏建彪,陈科等.综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用[J].煤炭工程,2010,7:6~9.[5]常聚才,谢广祥,杨科.综放沿空巷道小煤柱合理宽度确定[J].西安科技大学学报,2008,28(2).作者简介：殷培东1974年12月，现任山东能源新矿集团彬县水帘洞煤炭有限责任公司综放队区长