摘要:本文对长矿留小煤柱沿空掘巷进行了理论分析;根据长矿的地质条件,对综采工作面回风平巷进行了数值模拟,分析了长矿小煤柱护巷的可行性。通过对比数值模拟结果,得到了长矿留小煤柱尺寸的推荐值。留小煤柱沿空掘巷技术可以提高回采率,对延长老矿服务年限具有重要意义。
关键词:无煤柱护巷 沿空留巷 留小煤柱沿空掘巷 数值模拟
无煤柱护巷,有沿空留巷和沿空掘巷两种形式。沿空掘巷,即沿着已采工作面的采空区边缘掘进区段平巷,分为完全沿空掘巷和留小煤柱沿空掘巷（留3～6m窄小煤柱）。
1、小煤柱尺寸的理论分析
巷道内从煤体边缘向煤体深部可分为4个不同的矿压显现区。运用岩体的极限平衡理论,可得到塑性区内任意处的垂直应力、应力降低区的宽度、以及塑性区的宽度,卸载松散区:位于煤体边缘,一般宽度Ls为1～3m,少数情况可达4～6m;塑性强化区:位于卸载区和支承压力峰值位置之间,一般宽度Lp为15～20m;弹性变形区:位于煤体边缘支承压力峰值区过渡到原始应力(1)壁到弹性变形区的宽度Le一般为15～30m;原始应力区:距煤体边缘较远,煤体的应力和变形基本不受采空区的影响。
根据岩体的极限平衡理论分析,可以将沿空掘进的巷道布置在有一定的承载能力的塑性强化区中。所以,小煤柱应大于等于3 m,建议区段小煤柱留3～5 m。
2、小煤柱尺寸的数值模拟
2.1 数值计算模型建立
本次数值模拟使用FLAC2D软件。根据采区的地质条件,综采一壁工作面长66m,工作面推进长度498m,煤层平均厚度1.8m,煤层平均倾角30°,煤层的顶底板岩性和钻孔柱状图,建立综采一壁回采后采区的剖面模型,剖面模型范围长×宽为154m×128m,如图1所示。根据煤层顶底板的围岩力学特征分析,为减小模型边界效应的影响,模型高度取128 m,上边界为＋80m,下边界为-40m。为了更好的呈现应力分布规律和变化规律,取综采一壁开采后和综采二壁区段回风巷开挖后两种情况模拟,小煤柱的留设尺寸分别取3m、4m和5m三种情况进行模拟,三种煤柱留设尺寸的支护参数均相同。综采二壁区段回风巷开挖后的计算模型如（图2）所示。
图1 回采后的剖面模型
图2 倾斜煤层边缘力学状态分区图
2.2 力学参数的选取
回风巷开挖后剖面模型如图3所示。煤岩物理力学参数见表1。
2.3 数值模拟结果分析
(1)综采一壁开采后采区内应力分布情况;综采一壁开采后采区内垂直应力分布情况如图4所示,受采空区的影响,在下区段上部形成应力降低区和应力集中区,其中应力降低区的范围为3m、应力值为10～25Mpa,应力集中区的范围为5～6m、应力值为25～35Mpa。
图3 回风巷开挖后剖面模型
图4 开采后采区内垂直应力分布情况
数值模拟的结果与理论分析的基本一致,即如果采用留小煤柱的护巷方式,区段间可以在应力降低的区域内留3m的窄小煤柱,以隔离采空区和有利于巷道的维护。
(2)数值模拟结论;对区段间留3m、4m、5m小煤柱的情况进行了数值模拟,不同尺寸小煤柱护巷,数值模拟对比分析结果见表2。
3、结论及技术效益分析
(1)结论;理论分析与数值模拟结果表明,留小煤柱护巷是可行的,推荐小煤柱尺寸为3m。
(2)技术效益分析;采用留小煤柱护巷的无煤柱护巷技术,-140m水平北二石门两翼4槽综采工作面,可多采出煤炭2196×7×1.8×1.6×0.95=4.21万t,提高了采区的回采率。
参考文献
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