窄煤柱沿空掘巷技术关键参数的研究与应用_马祥.pdf

2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月随着煤炭行业技术的不断发展，矿井生产不断向安全高效开采方向转变。窄煤柱沿空掘巷技术作为一种能够有效提高资源回收率的开采技术，得到了更广泛的应用1。窄煤柱沿空掘巷技术是指在临近工作面回采完毕待应力稳定一段时间后，沿临近工作面采空区边缘掘进巷道。其中留设的窄煤柱主要用于支撑工作面上覆岩层因采动影响所产生的压力，对于有瓦斯的矿井，煤柱还用于隔绝采空区内的有毒有害气体2。在沿空掘巷技术实施过程中，如果留设的煤柱过宽，会造成大量煤炭资源浪费，影响矿井经济效益；如果煤柱宽度过窄，煤柱不能有效支撑上覆岩层的压力，就会造成巷道失稳，巷道出现较大变形，沿空掘巷失败。因此，合理的煤柱留设宽度是直接影响沿空掘巷技术成功实施的关键因素3。目前，国内常采用的沿空掘巷煤柱宽度为3 1 0m4。本文以内蒙古A 煤矿1 2 0 0 0工作面胶带顺槽为研究对象，根据现场实际情况，采用数值理论分析计算、工程实践验证的方法，确定了1 2 0 0 0工作面胶带顺槽煤柱的合理留设宽度，同时制定针对性的支护设计，并进行了可行性分析验证。1工程概况1 2 0 0 0工作面位于矿井-5 0 0m 水平1 2采区，开采二1煤层，工作面北侧为采区保护煤柱，南侧为工广保护煤柱，西邻已回采完毕的1 2 0 1 1工作面，东侧为保护煤柱线和1 0采区。1 2 0 0 0工作面巷道布置如图1所示。该工作面二1煤层伪顶不太发育，局部可见0 0.5m厚度的黑色碳质泥岩，松软易碎；直接顶为砂质泥岩，层理明显，局部发育厚度0 0.7m；老顶为灰色-浅灰色中粒石英砂岩（大占砂岩），层面富集云母片，具斜收稿日期：2022-10-24第一作者简介：马祥，1987年生，男，内蒙古巴彦淖尔人，在读硕士研究生，工程师，主要从事采矿工程方面的研究。窄煤柱沿空掘巷技术关键参数的研究与应用马祥，张德兵，王业征，张润兵（内蒙古伊泰广联煤化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯0 1 7 0 0 0）摘要：由于在巷道的高整体稳定性和高采出率方面的独特优点，窄煤柱沿空掘巷技术已成为中国沿空掘巷技术的发展方向。而沿空掘巷技术能否成功实施，关键在于煤柱宽度是否合理和围岩支护方案是否有效。因此，为研究煤柱宽度与沿空巷道围岩应力及变形特征之间的关系，以内蒙古A煤矿1 2 0 0 0工作面胶带顺槽为研究对象，通过理论分析计算、工程实践等方法，确定了1 2 0 0 0工作面胶带顺槽的合理煤柱宽度为5m。并对沿空掘巷的支护方案进行设计，通过对巷道围岩变形量进行测量，发现巷道围岩变形均在可控范围内，取得了良好的效果。研究成果为类似矿井沿空掘巷提供了参考。关键词：窄煤柱；沿空掘巷；关键参数；围岩控制中图分类号：T D 8 2 2+.3；T D 3 5 3文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-0 8 0 2-(2 0 2 3)0 3-0 1 8 5-0 4Research and Application of Key Parameters of Narrow Coal Pillar Gob-side EntryDriving TechnologyMA Xiang,ZHANG Debing,WANG Yezheng,ZHANG Runbing(Yitai Guanglian Coal Chemical Co.,Ltd.of Inner Mongolia,Ordos 017000,Inner Mongolia,China)Abstract:Due to the unique advantages of the high overall stability of roadway and high recovery rate,the narrow coal pillargob-side entry driving technology has become the development direction of the gob-side entry driving technology in China.Thekey to the successful implementation of gob-side entry driving technology is whether the width of coal pillar is reasonable andwhether the surrounding rock support scheme is effective.Therefore,in order to study the relationship between the width of coalpillar and the stress and deformation characteristics of surrounding rock of goaf,taking belt crossheading at 12000 working face ofA Coal Mine in Inner Mongolia as the research object,the reasonable coal pillar width for belt crossheading at 12000 workingface is determined to be 5 m through theoretical analysis and calculation,engineering practice and other methods.The supportingscheme of roadway driving along goaf were designed.By measuring the deformation of roadway surrounding rock,it is found thatthe deformation of roadway surrounding rock is in a controllable range,which has achieved good results.The research resultsprovide a reference for similar mines to excavate roadway along goaf.Key words:narrow coal pillar;gob-side entry driving;key parameters;surrounding rock control（总第2 1 0期）实践运用1 8 5 DOI:10.16643/ki.14-1360/td.2023.03.0112 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 1 12000 工作面巷道布置图层理，厚1 2.8 1 7.4m，上部直接与二2煤底板泥岩接触。二1煤顶板发育平整，相对比较稳定。工作面伪底为碎软泥岩，厚度0.4 7m，直接底为砂质泥岩，老底为泥岩夹细砂岩。该工作面煤层厚度较为稳定，煤厚3.2 7.2m，平均5.0m，受褶皱控制，煤层产状及厚度变化较大。预计该掘进工作面煤层倾角37，平均5。为减少矿井煤柱损失，提高资源回收率，决定对1 2 0 0 0工作面胶带顺槽采用窄煤柱沿空掘巷技术。2沿空掘巷煤柱合理宽度研究2.1最小煤柱宽度计算工作面回采由于回采扰动的关系，会破坏巷道围岩原有的应力平衡状态，直至工作面回采结束稳定一段时间后应力重新进行分布，再次达到平衡状态。此时在工作面靠近采空区边缘进行沿空掘巷时，巷道围岩平衡状态受到掘进影响，再次出现破坏，这就会在巷道煤柱两侧出现一个塑性区。为减小沿空掘巷巷道煤柱的变形，要求煤柱最小宽度大于塑性区宽度，且保留一定宽度的弹性核区5。同时，在使用锚杆进行支护时，锚杆能有效控制实体煤侧的塑性区宽度。因此，煤柱最小宽度应大于等于锚杆支护长度、采空区侧塑性区宽度以及弹性核区宽度三者之和6。根据以上分析，最小煤柱宽度应为：Bm in=X1+X2+X3，(1)X2=mA2 ta nlnKH+Ccta nCota n+poA|，(2)式(1)式(2)中，Bm in为最小煤柱宽度，m；X1为锚杆有效支护长度，取1.6 0m；X2为采空区侧塑性区宽度，按照公式计算为1.5 8m；X3为弹性核区宽度，按照锚杆有效支护长度和采空区侧塑性区宽度之和的0.1 5倍计算7；m为巷道宽度，根据1 2 0 0 0工作面胶带顺槽实际情况，取3.7m；A为侧压系数，取0.4 4；为内摩擦角，取4 2；K为应力集中系数，取0.2 3；为顶板岩层密度，取1 5t/m3；H为采深，取4 5 0m；Cc为顶板岩层黏聚力，取4.0 6M P a；Co为煤的黏聚力，取1.0 6M P a；po为工作面支架阻力，取0k N。因此，煤柱的最小宽度Bm in=1.6 0+1.5 8+0.1 5（1.6 0+1.5 8）=3.6 5 7m。2.2最大煤柱宽度计算最大煤柱宽度与内应力场的范围有关。在工作面回采完毕巷道围岩稳定后，在上覆岩层以断裂线为分界线，将压力分为内外2个应力场，其中采空区侧悬臂梁因受到自重的影响，形成的应力场为内应力场，而整个上覆岩层则形成外应力场8。研究表明，内应力场的宽度S应为：S=6h2Gy2q，(3)式(3)中，为工作面长度，m；h为基本顶厚度，m；G为塑性区煤体刚度，N/m；y为煤体被压缩量，m；为直接顶抗拉强度，M P a；q为基本顶上覆载荷，N/m。将1 2 0 0 0工作面相关数据代入，可知1 2 0 0 0工作面内应力场宽度S为1 2.3 5m，考虑到沿空掘巷巷道掘进巷宽为5.6m，则最大煤柱宽度应为内应力场宽度S与巷道宽度的差，为6.7 5m。2.3煤柱合理宽度确定综合以上所述，1 2 0 0 0工作面胶带顺槽合理的煤柱宽度应在3.6 5 6.7 5m 之间。按照已有的工程案例确定，合理煤柱的选择应遵循以下原则9：a)煤柱的宽高比应大于0.8，因为在宽高比大于0.8时，煤柱承压期间会更加稳定；b)煤柱的选择应充分参考上一个工作面的支护方式，有利于在煤柱中部形成承载核区；c)煤柱的12000 胶带顺槽12000 中间底抽巷12000 工作面12000 轨道底抽巷12000 轨道顺槽设计停采线12000 轨道联络巷12011 工作面停采线1 8 6 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月图 2 12000 工作面胶带顺槽支护断面图帮部锚杆能够将煤体锚固在较稳定的岩体上；d)煤柱能够满足隔绝采空区的目的；e)在满足巷道支护要求的前提下，尽可能多回收煤炭资源。因此，遵循以上原则，结合1 2 0 0 0工作面胶带顺槽实际情况，将1 2 0 0 0工作面胶带顺槽沿空掘巷巷道的煤柱设置为5m。3沿空掘巷支护方案设计3.1支护原则1 2 0 0 0工作面胶带顺槽受到临近工作面采空区的影响，且煤柱的宽度为5m，相对于实体煤巷掘进，其巷道变形量必定较大，因此在设计巷道支护方案时，必须遵循强顶强帮的支护方案。在巷道设计支护方案时，主要遵循以下支护原则：a)加强顶板支护，减小顶板压力对巷道的影响。在布置支护时，必须在沿空巷道的顶板上打设锚索，提高顶板支护效果的同时，将顶板岩层压力转移到巷道围岩深处，降低顶板对巷帮尤其是煤柱侧的压力。b)加强巷帮支护强度，尤其是煤柱侧巷道的支护强度。根据现场实际情况，在巷帮侧使用锚索代替锚杆进行强帮支护，提高巷帮承载能力，以此提高巷帮煤柱的稳定性。c)增大巷道断面的预留量。在通过构造带时，缩小锚杆锚索的间排距，提高支护效果，减小构造带对巷道支护的影响。d)针对特殊地点，为提高支护效果，可采用锚网索+架棚的复合支护方式提高支护效果，减小巷道变形量。3.2支护方案基于1 2 0 0 0工作面实际地质情况，1 2 0 0 0工作面胶带顺槽采用矩形断面，锚网索+W 钢带支护，掘进宽度56 0 0m m，掘进高度37 0 0m m。锚杆采用直径2 2m m、长度2.4m 的左旋无纵筋高强锚杆进行支护，顶部锚杆布置7根，间排距按照9 0 0m m 8 0 0m m 设置，锚杆使用的锚固剂为M S C K2 3 4 0和M S K2 3 5 0型树脂锚固剂（M S C K 2 3 4 0在里，M S K 2 3 5 0在外），施工时要求锚杆锚固力不低于3 0M P a，扭矩不低于2 6 0N m。顶部锚索采用直径2 1.8m m、长度6m 的锚索进行补强支护，锚索采用3-2-3方式布置，间排距18 0 0m m 18 0 0m m，锚索2 1.8m m 60 0 0m m，施工时要求锚索预紧力为3 5M P a，涨拉计显示3 5M P a；如遇顶板破碎、地质异常区、巷道十字头等，锚杆间排距减至9 0 0m m 7 0 0m m，锚索间排距减至15 0 0m m 15 0 0m m。帮部锚杆间排距8 0 0m m 9 0 0m m，每排1 0根，为提高帮部支护效果，在帮部第2根、第4根锚杆位置采用2 1.8m m 60 0 0m m 锚索代替锚杆进行支护。顶、帮部采用钢筋网（外）+高分子网（内），钢筋网联网搭接1 0 0m m，弯钩连接；高分子网联网搭接1 0 0m m，并使用镀锌铁丝三花连接，联网每2 0 0m m 一扣。钢带规格W D2 5 0/2.5，孔距8 0 0m m，顶部每排使用2根26 0 0m m 钢带，帮部每帮使用2根18 0 0m m 钢带，钢带搭接1 0 0m m，具体如图2所示。单位：mm9009009009009009001 8001001008008008008008008008008003002003002005 4005 6003 7003 6008001 0001 3001 900800900500600800风筒动力电缆监测线电话线信号线风水管路轨道6001 1001 200输送机45015151515马 祥，等：窄煤柱沿空掘巷技术关键参数的研究与应用1 8 7 2 0 2 3年第3期2 0 2 3年3月颁布政策，激励保险公司推出公益林碳汇保险，降低市场风险，在一定程度上激发林地散户的参与热情；发展林业碳票，以第三方实体物品来表示抽象的碳汇量，把C O2的吸收量具象化，更好地促进碳汇销售，加快林业碳汇的资金流动，让林农和企业可以看到真真正正的经济收益；有C O2产生的社会性活动可购买林业碳汇来实现活动过程零碳排放，第二届中国资产管理武夷峰会通过购买F F C E R，抵消会议产生的碳排放，第四届数字中国建设峰会通过新造林地抵消碳排放等，都是林业碳汇交易的发展模式。5结语随着社会经济的不断发展，生态环境越来越受到重视。福建省拥有丰富的森林资源，要发展生态公益林，就必须明确生态公益林发展过程中存在的问题，完善各项制度建设，划分清晰的责权界线，促进社会各界加入到生态公益林的建设中，为林地散户等提供解决方案，为碳减排企业提供环境良好的碳汇交易平台，助力福建省公益林碳汇交易的发展。参考文献：1 黄雍容.林业碳汇知多少 J.福建林业，2021(4)：25-26.2 郭国英.碳中和背景下福建省林业碳汇项目开发策略 J.林业勘察设计，2021，41(2)：5-9.3 仪律北.林业碳汇交易的法律制度研究 J.中国林业经济，2018(6)：73-75.4 杨博文.“资源诅咒”抑或“制度失灵”?J.中国农村观察，2021(5)：51-70.5 李岩柏，郭瑞敏.国际林业碳汇交易对我国的启示 J.河北金融，2022(1)：29-34.6 福建省林业局造林处.加快林业碳汇发展 助力碳达峰碳中和 J.福建林业，2021(4)：6-7.7 黄云鹏，黄石德，谭芳林.福建林业碳汇存在的问题与对策 J.福建林业，2021(6)：18-19.8 福建省林业局.福建持续探索林业碳汇创新发展模式 J.福建林业，2021(4)：4-5.（编辑：高志凤）4沿空掘巷支护效果检验为了检验1 2 0 0 0工作面胶带顺槽采用5m 窄煤柱以及现有支护方案的可行性，在1 2 0 0 0工作面胶带顺槽开口5 0m 位置处布置1个测点，采用十字交叉法连续1 0 5d观察巷道的巷帮移近量和顶底板移近量，测量结果如图3所示。图 3 巷道掘进期间顶底板移近量及巷帮移近量曲线图通过对图3进行分析可知，1 2 0 0 0工作面胶带顺槽顶底板移近量和巷帮移近量在0 2 8d内增长最快，在4 2d后围岩逐步趋于稳定。在观测的第1 0 5天，1 2 0 0 0工作面胶带顺槽顶底板移近量逐步稳定在1 2 0m m 左右，巷帮移近量逐步稳定在1 6 0m m 以内。巷道掘进期间，1 2 0 0 0工作面胶带顺槽巷道变形量在可控范围内，表明按照5m 煤柱进行沿空掘巷，采用现有的支护方案，能满足巷道施工需要，同时证明了巷道沿空掘巷的可行性。5结语通过对内蒙古A煤矿1 2 0 0 0工作面胶带顺槽具体地质情况进行分析，采用理论分析、数值计算等方法，最终确定了1 2 0 0 0工作面胶带顺槽沿空掘巷合理煤柱宽度为5m。通过对1 2 0 0 0工作面胶带顺槽支护方案进行设计，最终确定1 2 0 0 0工作面胶带顺槽采用“锚网索+钢带”的支护方式。通过对支护方案的观测，1 2 0 0 0工作面胶带顺槽在1 0 5d的观察周期内，顶底板最大移近量约1 2 0m m，巷帮移近量在1 6 0m m 以内，巷道变形量在可控范围内，为类似地质条件的矿井采用沿空掘巷技术提供了参考。参考文献：1 和树栋.平煤十三矿沿空掘巷窄煤柱留设及支护技术应用实践 J.中国矿业，2021，30(6)：146-151.2 陈晓祥，张天，王逸良.窄煤柱沿空掘巷巷道围岩变形影响因素及非对称支护技术研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2021，40(6)：24-33.3 张树林.综放工作面沿空留巷煤柱宽度优化及支护技术 J.山西能源学院学报，2021，34(2)：12-14 4 谢玉堂，付宝杰.深井综采沿空掘巷合理煤柱宽度及支护优化 J.煤炭技术，2021，40(8)：72-75.5 康红普，林建，吴拥政，等锚杆构件力学性能及匹配性 J.煤炭学报，2015，40(1)：11-22.6 赵瑞红.大倾角煤层留小煤柱沿空掘巷技术研究 J.煤炭工程，2012，44(10)：20-23.7 苏国峰.煤矿窄煤柱沿空掘巷巷道围岩控制技术研究 J.山西化工，2021，41(5)：150-152.8 张文才，孙晓龙，孙利辉.厚煤层沿空掘巷窄煤柱宽度研究 J.煤炭与化工，2021，44(9)：14-16.9 于嘉琦.综放沿空巷道窄煤柱稳定性分析及围岩控制技术研究 J.煤矿现代化，2020(1)：139-141.（编辑：高志凤）16014012010080604020顶底板巷帮14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 9871050移近量/mm观测时间/d（上接第 99 页）1 8 8