李尧含瓦斯抽放钻孔沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013007-1李尧，杜刚.含瓦斯抽放钻孔沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013007.LIYao，DUGang.Reasonablewidthofnarrowcoalpillarsinroadwaydrivingwithgasdrainagehole[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013007.含瓦斯抽放钻孔沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究李尧1，杜刚1,2(1.山西石泉煤业有限责任公司，山西长治046200；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116)摘要：以石泉煤业30108综放工作面轨道巷沿空掘巷为背景，通过理论分析计算了最小煤柱宽度，并采用UDEC软件对不同区域——钻孔段、钻孔延伸段(合称钻场内)、不布置钻孔段内不同宽度(5～20m)煤柱下的弹塑性区和垂直应力分布进行模拟，从而分析了不同条件下围岩稳定性与煤柱承载能力。研究结果表明：①根据岩体极限平衡理论，煤柱最小宽度为8.94m；②在数值模拟中，煤柱宽5，6m时，3种煤柱内的大部分区域处于破坏状态；煤柱宽10m以上时，钻场内煤柱顶底板剪切破坏区域相互贯通；在钻场延伸段8，9m的煤柱应力集中较10m的明显，在钻场内7～9m的煤柱边缘拉伸破坏区域较10m的大。综合理论分析和数值模拟结果，建议煤柱宽度应选为10m。现场实践验证了煤柱宽度的合理性，并取得了显著的经济效益。关键词：窄煤柱宽度；钻孔；数值模拟；沿空掘巷；围岩稳定性中图分类号：TD822.3文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3007-09ReasonablewidthofnarrowcoalpillarsinroadwaydrivingwithgasdrainageholeLIYao，DUGang(1.ShanxiShiquanCoalIndustryCo.，Ltd.，Changzhi046200，China；2.SchoolofMines，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China)Abstract：Takingtheroadwayalongthe30108workingfaceofShiquanCoalMine，theminimumcoalpillarwidthwascalculatedbytheoreticalanalysis；UDECsoftwarewasusedtosimulatethedistributionofelastoplasticzoneandverticalstressdistributiondifferentareas(nodrillingsectionordrillingsection)underdifferentwidth(5-20m)coalpillarsintheboreholeextensionsection，andanalyzethestabilityofsurroundingrockandbearingcapacityofcoalpillarunderdifferentconditions.Theresultsshowedthat：accordingtothetheoryoflimitequilibriumofrockmass，theminimumwidthofcoalpillaris8.94m；whenthecoalpillaris5，6mwide，mostofthecoalpillarsareinastateoffailure；whenthecoalpillarismorethan10mwide，theshearfailurezoneofthecoalpillartopandbottominthedrillfieldismutuallyconnected；withinthedrillfield，the8，9mcoalpillarstressconcentrationismoreobviousthan10m，the7-9mcoalpillaredgetensilefailurezoneislargerthan10m.Basedoncomprehensivetheoreticalanalysisandnumericalsimulationresults，itisrecommendedthatthecoalpillarwidthshouldbechosentobe10m.Fieldpracticeverifiedtherationalityofthecoalpillarwidthandachievedsignificanteconomicbenefits.Keywords：narrowcoalpillarwidth；borehole；numericalsimulation；gob-sideentrydriving；surroundingrockstability收稿日期：2019-04-02修回日期：2019-05-22责任编辑：施红霞作者简介：李尧(1994—)，男，山西襄垣人，助理工程师，主要从事煤矿开采与采场矿压控制等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]通信作者：杜刚(1980—)，男，山西肥城人，工程师，硕士研究生，主要从事煤矿开采方面的研究工作。E-mail：[e-mail]李尧等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2,No.1(2020):013007013007-2煤矿资源在我国的能源结构中占有重要地位，采用窄煤柱护巷、沿空掘巷的方式布置工作面回采巷道是提高煤矿资源采出率的有效途径之一。窄煤柱合理宽度的确定是巷道支护设计中重要的组成部分，将直接关系到煤矿安全生产与经济效益。目前，沿空掘巷留设窄煤柱的合理宽度一般采用理论分析与数值模拟确定，许多学者进行了大量的相关工作，姜耀东等对黄岩汇煤矿15111工作面所在褶曲构造区域的地应力进行了反演，并以此为基础，模拟了巷道围岩在不同煤柱宽度下的应力分布与变形特征，确定了适用于该矿的沿空巷道窄煤柱宽度；牛光勇等运用FLAC软件对倾斜中厚煤层条件下的沿空掘巷煤柱留设最优尺寸进行了分析；张科学等采用数值模拟分析了不同煤柱宽度下应力场、位移场特征，并综合运用极限平衡理论、现场工业性试验等方法，确定了窄煤柱最优宽度；李磊等分析了沿空掘巷下的应力场分布，并推导了内应力场与煤柱宽度的关系式，在考虑片帮、积水等因素下，确定了窄煤柱最优宽度，此外还提出了一系列针对非对称综放沿空掘巷技术措施；张炜等采用FLAC软件比较了沿空掘巷下，孤岛工作面和常规工作面超前支撑压力的差异，并针对孤岛工作面窄煤柱护巷的力学模型、围岩控制机理、围岩变形控制对策(煤柱宽度)进行了研究；查文华等针对恒昇煤业浅埋厚煤层坚硬顶板的地质条件，分析了基本顶断裂线位置与关键块回转角和煤柱上覆载荷之间的关系，并计算了实际工况下的基本顶断裂线位置和最小煤柱宽度，综合确定了沿空掘巷最优窄煤柱宽度；郑西贵等在综合考虑掘巷扰动和工作面超前采动影响下，采用综合方法研究了掘采全过程中沿空掘巷小煤柱的应力分布与演化规律，分析了淮南谢桥矿13126工作面窄煤柱的合理宽度；张广超等采用FLAC软件对大断面综放沿空巷道煤柱、高强度开采综放工作面区段煤柱等特殊工况下煤柱宽度与围岩控制进行了一系列研究，为王家岭煤矿、羊场湾煤矿的工程实践提供了有力指导。综上可以看出，布有瓦斯抽放钻孔的窄煤柱合理宽度的相关研究较少。对于高瓦斯矿井而言，为保证沿空掘巷下掘进工作面的安全生产，一般沿掘进方向布有瓦斯抽放钻孔。瓦斯抽放钻孔将一定程度破坏煤柱的完整性，改变煤柱内应力场和应变场。在考虑瓦斯抽放钻孔的前提下，研究窄煤柱的合理宽度对高瓦斯矿井应用留设窄煤柱沿空掘巷的技术具有重要的指导意义。笔者以石泉煤业30108综放工作面轨道巷沿空掘巷为背景，通过理论分析确定了最小煤柱宽度，并结合数值模拟(UDEC)研究了不同区域内(不布置钻孔段、钻孔段、钻孔延伸段)窄煤柱不同宽度下的弹塑性区分布、垂直应力场变化规律，从而对不同宽度的窄煤柱的围岩稳定性、承载能力进行分析，确定了该工作面的合理煤柱宽度。1巷道概况石泉煤业30108综放工作面开采的3号煤层属二叠系下统山西组，赋存较为稳定，煤层厚度5.05～6.25m，平均5.65m，煤层倾角5°～7°，工作面内煤层底板标高为390～410m。煤层顶板岩性为砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，底板岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩。岩层物理力学参数是支护设计的基本参数，本文所选用的岩层物理力学参数见表1。30108工作面位于301采区西部，其轨道巷位于30102工作面采空区西侧，沿3号煤层底板掘进，巷道设计长度916.58m，断面为矩形，尺寸为4.8m×3.3m。表1岩层基本力学参数Table1Basicmechanicalparametersofrockformation岩层岩石名称内摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa抗压强度/MPa基本顶中粒砂岩408.23.0076.6细粒砂岩3910.84.3071.3直接顶粉砂岩347.21.9037.7砂质泥岩354.81.5031.7泥岩314.50.7327.0伪顶泥岩314.01.1023.3煤层煤311.11.1011.8伪底泥岩312.90.4017.6直接底粉砂岩385.52.3041.6砂质泥岩365.41.6033.3泥岩373.80.9116.6基本底中粒砂岩417.74.0083.0细粒砂岩4210.93.9079.0李尧等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2,No.1(2020):013007013007-3据矿井地质报告和现有生产资料，该矿井3号煤层瓦斯的含量较高，属高瓦斯矿井。30108轨道巷掘进时需要进行抽采瓦斯，钻场瓦斯抽采钻孔平行布置。2煤柱最小宽度理论分析为避免煤炭资源损失，煤柱宽度应尽可能减小，但当煤柱过窄时，煤柱内部均为破碎区和塑性区，稳定性和承载能力极低，锚杆难以锚固，支护结构易失效。因此，确定合理的区段煤柱宽度，既可保证锚固效果、减小巷道变形，又能减小煤炭损失。沿空掘巷区段煤柱宽度可分为图1中的3部分，其中X为沿空巷道锚杆锚固有效长度；X为区段煤柱受上区段采动影响产生的塑性破坏区宽度；X为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，根据工程地质条件选取，本文按照0.3(X+X)计算。XXXB图1窄煤柱宽度计算Fig.1Narrowcoalpillarwidthcalculation根据岩体极限平衡理论可知，塑性区宽度X表达式为212cotln(cot)MkHCXfPC(1)式中，M为煤层开采厚度，取3.1m；k为应力集中系数，取3；γ为上覆岩层平均容重，取24kN/m；H为巷道埋深，取455m；C为煤体黏聚力，取1.08MPa；φ为煤体内摩擦角，取31.2°；ξ为三轴应力系数，取3.15；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，取0.2；P为支架对煤帮的阻力，取0.1MPa。由此可得：2312315023002445510816546831501108165......ln.m....X(2)当沿空巷道锚杆锚固有效长度为2.2m，则煤柱宽B=X+X+X=2.2+4.68+0.3×(2.2+4.68)=8.94m，因此煤柱宽度应不小于8.94m。3煤柱宽度对支撑能力的影响模拟分析一般而言，布有瓦斯抽放钻孔的煤柱内存在3个区域：不布置钻孔段、钻孔段和钻孔延伸段。不布置钻孔段是指原始