CN106545362A - 一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，采用室内试验、理论计算、数值模拟和现场测试等手段，提出了“锚杆+金属网+喷射混凝土+中空注浆锚索补强加固煤柱”的强力约束煤柱加固方案，确定了煤柱的合理留设宽度，保证了煤柱和回采巷道的长期稳定性。采用本发明的方法一方面可大幅度减少巷道后期维护工程量及维护费用，另一方面保证了工作面的安全高效回采。因此，本发明提出的一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法具有重要的理论意义和工程实践价值。

Description

一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，具体涉及一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法。

背景技术

目前，我国大部分煤矿开采仍然采用留设保护煤柱的方法，要在保证安全开采的同时，尽量减少煤炭资源损失，就要设置合理的保护煤柱。大量研究证明,对于综放沿空掘巷而言,小煤柱尺寸在很大程度上决定着该类巷道的稳定性,许多巷道存在因煤柱尺寸留设不合理而造成垮冒及严重变形而影响安全生产。若留宽过大，煤柱将长期处于侧向支承压力影响区，不利于煤柱稳定；留宽过小则不能有效地密闭采空区。合理的煤柱尺寸不仅可以减小巷道的变形，减小巷道维护工程量，而且还可以减少煤炭资源损失。我国大部分煤矿仍然依靠经验来确定煤柱宽度，缺乏科学理论指导，往往造成煤炭资源的浪费，出现巷道回采及掘进中难以维护现象。沿空掘巷是上世纪70年代发展起来的新型巷道布置方式，在淮南、平顶山、神华等矿区均成功运用。

在保护煤柱尺寸设计时，避开采动支承压力峰值作用范围和时间是煤柱尺寸留设和沿空巷道掘进时空关系选择的主要理论依据。通过对目前国内保护煤柱留设方法的现状分析可以看出，根据岩层与地表移动规律，利用变形预计法留设保护煤柱更合理、更科学、更有利于矿区的可持续发展。变形预计法和其他方法计算结果相互比较和分析，可以使设计出的保护煤柱更合理，既达到安全开采的目的，又能解放出更多的煤炭资源，提高矿山的资源回收率，延长矿井的服务年限。

现有的煤柱留设方法和技术存在：回采煤巷围岩稳定性控制和评价体系研究成果主要依靠现场实践和经验的总结；有关控制和评价理论、评价因素和指标、评价方法和应用模型、评价与支护对策等一系列方面的问题尚没有系统的认识；实践过程中存在较大的盲目性；煤柱留设方法与回采巷道围岩稳定性控制与评价缺乏科学性和实用性等缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，通过室内试验、理论计算、数值模拟和现场测试等手段，确定了煤柱的合理留设宽度，保证了煤柱和回采巷道的长期稳定性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，包括以下步骤：

步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；

步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；

步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；

步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；

步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。

其中步骤二中护巷煤柱保持稳定性宽度S的计算公式为：

S=L ₁+2M+L ₂

式中：L ₁—采空区侧塑性区宽度；L ₂—巷道侧塑性区宽度，L ₁=L ₂；2M—煤柱中部弹性区宽度，此处M为巷道掘高。

对于组合围岩，由于顶底板围岩处于破碎或以软岩为主的状态，因此为便于计算，此时可将顶底板围岩视为与煤体性质相同的介质，即做同一化处理。在考虑无支护的条件下，求得塑性区半径为：

x ₁=mAln[(kγH+C ₀/tanφ)/(C ₀/tanφ+P ₀/A)]/2tanφ

式中：m—上区段平巷高度；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比；φ—煤体内摩擦角；C ₀—煤体粘聚力；k—应力集中系数，煤体抗压强度小于25MPa 时，k＝2.5；H—巷道埋藏深度；γ—岩层平均体积力；P ₀—上区段平巷支架对下帮的支护阻力，相邻已采面采空侧P ₀＝0。

本发明的有益技术成果：采用本发明的方法一方面在保证安全开采的同时，煤柱宽度降低40%～50%，提高了煤炭资源的回采率；另一方面可大幅度减少巷道后期维护工程量及维护费用，此外，提出的“锚杆+金属网+喷射混凝土+中空注浆锚索补强加固煤柱”的强力约束煤柱加固方案保证了工作面的安全高效回采。因此，本发明提出的一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法具有重要的理论意义和工程实践价值。

附图说明

图1 2621工作面平面

图2 2621工作面断面

图3 2621工作面煤柱综合柱状图

图4 煤柱宽度20m时塑性区分布

图5 煤柱宽度25m时塑性区分布

图6 煤柱宽度30m时塑性区分布

图7 煤柱宽度35m时塑性区分布

图8 不同煤柱宽度时巷道表面围岩收敛数值计算结果

图9 不同煤柱宽度时煤柱应力数值计算结果

图10 煤柱应力测试结果

图11 锚杆（索）测试结果

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；

步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；

步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；

步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；

步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。

其中步骤二中护巷煤柱保持稳定性宽度S的计算公式为：

S=L ₁+2M+L ₂

式中：L ₁—采空区侧塑性区宽度；L ₂—巷道侧塑性区宽度，L ₁=L ₂；2M—煤柱中部弹性区宽度，此处M为巷道掘高。

对于组合围岩，由于顶底板围岩处于破碎或以软岩为主的状态，因此为便于计算，此时可将顶底板围岩视为与煤体性质相同的介质，即做同一化处理。在考虑无支护的条件下，求得塑性区半径为：

x ₁=mAln[(kγH+C ₀/tanφ)/(C ₀/tanφ+P ₀/A)]/2tanφ

式中：m—上区段平巷高度；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，为泊松比；φ—煤体内摩擦角；C ₀—煤体粘聚力；k—应力集中系数，煤体抗压强度小于25MPa 时，＝2.5；H—巷道埋藏深度；γ—岩层平均体积力；P ₀—上区段平巷支架对下帮的支护阻力，相邻已采面采空侧P ₀＝0。

实施例

1 工程概况

某煤矿埋深300m，其2621工作面东西部为地表采煤沉陷区，东部为已开采的2521工作面；西部为原南一1421、1422工作面采空区、南三6121工作面采空区，北段上方为1511、1611、1711工作面采空区，2621工作面成为孤岛型的开采区。2621工作面在井下位置如附图1和附图2所示。工作面煤层工程地质柱状图如附图3所示。

回采巷道工作面为矩形断面，尺寸为宽×高=4.7m×3.5m，采用中空注浆锚索+锚网喷联合支护设计。支护参数为：锚杆为φ20mm的螺纹钢锚杆，顶部锚杆长度取l=2.7m，两帮锚杆长度确2.7m，锚杆间排距800mm×800mm。中空注浆锚索的长度8m，锚固剂采用CK2370和Z2335树脂药卷两种，喷层厚度100mm。金属网与钢带采用φ8mm圆钢进行焊接成网，钢筋网的网格尺寸为100mm×100mm，顶板布置金属网的每片网格尺寸为2500mm×1000mm，巷道帮部每片网的尺寸为2000mm×1000mm。设计中采用钢带类型为W型，型号为WD250~3.0，即宽度为250mm，厚度为3mm。这种支护方式使围岩充分的发挥自身承载力，保证了巷道的稳定性对煤柱起到了有效的加固作用。

2 围岩力学参数

结合现场情况，在工作面不同层位处取得煤岩试样，运回实验室，进行煤岩的物理力学特性测试，获取围岩力学参数如下：

（1）煤岩单轴抗压强度σ _c介于9.78~10.18MPa之间，单轴抗拉强度σ _t介于0.85~1.11MPa之间，拉压强度比约为0.08~0.11。

（2）煤岩抗剪强度试验结果表明：煤岩粘聚力c介于1.02MPa~1.38MPa之间，粘聚力较高；内摩擦角φ介于27.2°~28.1°之间；总体而言，2621工作面煤岩抗剪强度较高，煤岩相对稳定。

（3）煤岩弹性模量介于0.259GPa~0.262GPa，泊松比μ分别为0.27，0.26和0.24，剪切模量G约为0.104GPa。煤岩刚度高，但易于发生脆性破坏。

综上，工作面煤岩具有较高的强度和刚度，但岩性较脆，易发生脆性破坏。

3 理论计算分析

护巷煤柱保持稳定性宽度S的计算公式为：

S=L ₁+2M+L ₂

式中：L ₁—采空区侧塑性区宽度；L ₂—巷道侧塑性区宽度，L ₁=L ₂；2M—煤柱中部弹性区宽度，此处M为巷道掘高。

对于组合围岩，由于顶底板围岩处于破碎或以软岩为主的状态，因此为便于计算，此时可将顶底板围岩视为与煤体性质相同的介质，即做同一化处理。在考虑无支护的条件下，求得塑性区半径为：

x ₁=mAln[(kγH+C ₀/tanφ)/(C ₀/tanφ+P ₀/A)]/2tanφ

式中：m—上区段平巷高度，取m=3.5m；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比，取μ=0.3，则A=0.429；φ—煤体内摩擦角，取φ=27°；C ₀—煤体粘聚力，取C ₀=1.2MPa；k—应力集中系数，煤体抗压强度小于25MPa 时，取＝2.5；H—巷道埋藏深度，取H=300m；γ—岩层平均体积力，取γ=25kN/m³；P ₀—上区段平巷支架对下帮的支护阻力，相邻已采面采空侧P ₀＝0。

故塑性区半径：

x ₁=3.5×0.429ln[(2.5×25×300+1200÷tan27°)/( 1200÷tan27°+0)]/（2×tan27°）=13.20 m

于是煤柱一侧的塑性区宽度则可近似统一表示为：

L _c=x ₁-B/2

式中：B—巷道宽度，m；

故煤柱一侧塑性区宽度为：

L _c=x ₁-B/2=13.20-4.7/2=10.85m

所以煤柱的宽度为：

S=L ₁+2M+L ₂=10.85+2×3.5+10.85=28.7m

通过理论计算，煤柱宽度应至少为28.7m。

4数值模拟计算

（1）模拟方案

根据地质条件及各岩层的岩体力学参数，利用有限差分软件flac3d分别建立煤柱宽度为20m，25m，30m和35m条件下巷道数值计算模型。巷道围岩采用Mohr-Coulomb 本构模型，煤柱材料模型选用Burgers蠕变模型。

（2）模拟结果分析

巷道塑性区宽度如图4至图7所示。

由图4至图7可知，煤柱宽度20m时，巷道侧下方塑性区与采空区塑性区大范围贯通，最终煤柱与巷道也会被压坏。煤柱宽度25m时，巷道侧下方塑性区与采空区塑性区将要贯通，煤柱与巷道不安全。煤柱宽度30m时，巷道左侧塑性区4m，巷道右侧塑性区4m，巷道上部塑性区3m，巷道下部塑性区4m，采空区侧塑性区12m，煤柱稳定，巷道安全。煤柱宽度35m时，巷道左侧塑性区4m，巷道右侧塑性区4m，巷道上部塑性区4m，巷道下部塑性区3m，采空区侧塑性区12m，煤柱稳定，巷道安全。得出结论：煤柱宽度25m以下不安全，30m较为合理。

巷道围岩表面收敛变形如图8所示。

由图8可知，在不同煤柱宽度下，巷道顶底板最大移近量为煤柱宽度W=20m时的33.81cm，最小移近量为煤柱宽度W=35m时的10.76cm；两帮最大移近量为煤柱宽度W=20m时的50.94cm，最小移近量为煤柱宽度W=35m时的13.72cm。煤柱宽度20m时顶底板、左右帮移近量曲线变化幅度大，移近量数值大。说明巷道位移变化不稳定，煤柱被压坏，而25m至35m之间曲线比较接近且平缓，说明巷道位移变化较稳定，煤柱没有被压坏，巷道安全。

不同宽度煤柱钻孔应力测试结果如图9所示。

由图9可知，煤柱宽度为20m~35m范围内，煤柱压力数值较小，其中煤柱压力最大值出现在煤柱宽度W=20m时，煤柱压力最大值σ _max为14.2MPa，出现在煤柱6m深度处；煤柱压力最小值出现在煤柱宽度W=35m时，煤柱压力最大值σ _max为2.89MPa，出现在煤柱8m深度处；由此可见煤柱宽度增大，将显著减小煤柱压力，有利于护巷煤柱的安全与稳定。

5 工程应用效果

基于以上分析，确定留设煤柱宽度为30m，并采用 “锚杆+金属网+喷射混凝土+中空注浆锚索补强加固煤柱”的强力约束煤柱加固方案控制巷道围岩变形。为及时掌握巷道围岩控制效果，在回采巷道内布置3个测站，对围岩表面位移、煤柱内应力、锚杆工况等进行观测。

（1）巷道围岩表面位移变化规律

工作面掘进30d后围岩表面收敛变形基本趋于稳定，顶底板、两帮最大移近量分别为11.8cm和13.95cm。受采动影响时，顶底板、两帮最大移近量分别为12~28cm和21~39cm。

（2）煤体应力变化规律

每个测站在煤柱3m、5m和8m深处分别布置钻孔应力计，钻孔应力计安装30d~65d后数值趋于稳定，但在安装200d~320d由于受到巷道采动影响，钻孔应力计数值发生波动，之后又趋于稳定，其中煤柱深度为5m处应力介于2.88MPa~6.28MPa，煤柱深度为3m处应力介于0.95MPa~1.40MPa，煤柱深度为8m处应力介于2.14MPa~2.79MPa，3个测站监测结果如图10所示。可见煤柱内应力水平较低，煤柱处于稳定状态。

（3）锚杆（索）受力变化规律

以第一测站数据为例分析锚杆（索）受力变化规律，锚杆（索）安装后迅速承载，15d后载荷基本趋于稳定，顶板锚杆（索）受力较帮部锚杆大，约为11.7MPa~13.8MPa，帮部锚杆（索）受力相对较小，约为2.1MPa~6.5MPa，且左帮锚杆（索）受力略小于右帮。

6 结论

通过对不同宽度煤柱下，回采巷道塑性区和围岩表面收敛变形结果分析，认为煤柱宽度为30m至35m之间较为安全。结合理论计算结果，综合考虑经济技术效果和技术安全，最终煤柱宽度确定为30m。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出进一步优化，这些优化方案也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：煤岩物理力学参数测试：进行现场调研，取样，采用室内试验，确定煤岩物理力学参数；

步骤二：理论计算确定小煤柱宽度：基于煤岩物理力学参数、工程地质条件等，采用理论计算公式，确定小煤柱合理留设宽度；

步骤三：采用数值模拟方法分析综放沿空掘巷小煤柱合理宽度：依据工程情况和理论计算结果，建立综放沿空掘巷数值计算模型，通过模拟回采巷道开挖，监测不同宽度煤柱条件下的巷道围岩应力应变规律并通过对比分析确定煤柱合理宽度；

步骤四：现场实测煤柱和围岩稳定情况：在施工过程中对巷道顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆轴力、煤柱位移和煤柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化；

步骤五：综合理论计算结果、数值模拟分析结果、现场实测结果，确定煤柱合理留设宽度，节约资源，确保生产过程中煤柱及巷道的安全与稳定。

2.一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，其特征在于，步骤一中煤岩物理力学参数测试包括：单轴抗压强度σ _c、单轴抗拉拉强度σ _t、拉压强度比σ _c/σ _t、粘聚力c、内摩擦角φ、弹性模量E、泊松比μ、剪切模量G、和煤岩密度等指标。

3.一种综放沿空掘巷煤柱留设尺寸的确定方法，其特征在于，步骤二中护巷煤柱保持稳定性宽度S的计算公式为：

S=L ₁+2M+L ₂

式中：L ₁—采空区侧塑性区宽度；L ₂—巷道侧塑性区宽度，L ₁=L ₂；2M—煤柱中部弹性区宽度，此处M为巷道掘高；

对于组合围岩，由于顶底板围岩处于破碎或以软岩为主的状态，因此为便于计算，此时可将顶底板围岩视为与煤体性质相同的介质，即做同一化处理；

在考虑无支护的条件下，求得塑性区半径为：

x ₁=mAln[(kγH+C ₀/tanφ)/(C ₀/tanφ+P ₀/A)]/2tanφ

式中：m—上区段平巷高度；A—侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比；φ—煤体内摩擦角；C ₀—煤体粘聚力；k—应力集中系数，煤体抗压强度小于25MPa 时，k＝2.5；H—巷道埋藏深度；γ—岩层平均体积力；P ₀—上区段平巷支架对下帮的支护阻力，相邻已采面采空侧P ₀＝0。