極近距離不穩定煤層聯合開采護巷煤柱寬度的探討

宋成標

(新光集團劉東煤礦,安徽省淮北市,235000)

極近距離不穩定煤層聯合開采護巷煤柱寬度的探討

宋成標

(新光集團劉東煤礦,安徽省淮北市,235000)

運用理論計算和FLAC數值模擬的方法,對極近距離不穩定煤層聯合開采護巷煤柱寬度進行了分析,根據采煤工作面側向支承壓力分布規律和經驗公式,得出護巷煤柱的寬度必須大于14 m才能避免側向支承壓力峰值的影響的結論。由數值模擬得出,掘進對煤柱的應力分布影響相對較小,而采動對煤柱的應力分布影響較大。不同埋深的煤柱應力分布大小不同,埋藏越深煤柱應力越大;采掘對不同寬度煤柱的應力分布影響不同,煤柱越小,應力集中越大,煤柱越不穩定;而煤柱越大,應力疊加越不明顯,煤柱越穩定。綜合考慮各種因素,劉東煤礦西三采區護巷煤柱的寬度確定為15 m。

極近距離不穩定煤層 聯合開采 護巷煤柱 理論分析 數值模擬

在近距離煤層聯合開采的情況下,無論是采場還是巷道,其礦壓顯現時空關系非常復雜。巷道受動壓的影響比較大,尤其是布置在煤層中的回采巷道,變形量大,維護困難,一定程度上影響了礦井的安全生產和經濟效益。不管回采巷道采用外錯式或者內錯式布置,最主要的參數是確定護巷煤柱寬度,它是極近距離不穩定煤層聯合開采巷道布置成功與否的關鍵。

本文通過數值模擬方法,確定了極近距離不穩定煤層護巷煤柱的寬度。該方法主要考慮下方煤層巷道變形與相關影響因素的關系,進而確定極近距離不穩定煤層回采巷道的時空關系。

1 井田地質概況

劉東煤礦擬對西三采區的71煤層、72煤層進行開采,71煤層和72煤層間距為3 m。71煤層賦存不穩定,厚度為1.36～1.88 m,平均厚度1.4 m,結構簡單,且中部有一變薄帶僅為0.7 m左右;72煤層賦存穩定,全區可采,厚度為1.72～4.39 m,平均厚度為2.5 m左右。

2 護巷煤柱寬度的確定

護巷煤柱的寬度是影響煤柱穩定性和巷道維護的主要因素。煤柱的寬度不僅決定了巷道與回采空間的相對位置關系,而且影響到下方煤層巷道的穩定性。

2.1 合理確定煤柱寬度的原則

確定合理的護巷煤柱寬度應遵循以下原則。

(1)相對有利的應力環境。在時空上盡量避開采掘活動的影響,最好將巷道布置在煤層開采后形成的應力降低區內。

圖1 底板巖層應力分布區域

(2)保證錨桿具有良好錨固性能。上方極近煤層開采,對底板巖層形成破壞,產生拉伸破裂區與剪切滑移區,如圖1所示。如煤柱過窄,下方煤層巷道的頂板將處于破碎煤體內,不能有效錨固錨桿。因此,應選擇性質較好的圍巖,保證錨桿具有較高的錨固力,真正發揮錨桿的支護作用。

(3)控制巷道圍巖變形。將圍巖的變形量控制在能滿足生產過程中對斷面的使用要求之內。

(4)保證煤柱穩定和高回采率。煤柱護巷必須保證巷道使用期內的穩定性。當護巷煤柱滿足要求時,煤柱的寬度應盡可能小,提高煤炭的采出率。

根據以上原則,結合71、72煤層及工作面的開采技術條件,通過數值模擬確定37202運輸巷合理護巷煤柱寬度L1和37202回風巷護巷煤柱寬度L2。

2.2 煤柱寬度的數值模擬

2.2.1 模型的建立及參數的選取

采用FLAC數值計算軟件進行模擬分析,根據地質資料和現場兩層煤工作面的實際布置關系,取工作面傾斜剖面為現場模型,建立數值模型,整個模型尺寸(寬×高)200 m×172 m,模型上部邊界施加壓力使其等同于上覆巖層的重量,底邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。

模型上部邊界垂直深度200 m、巖石容重25 kN/m3,上部應力5.0 MPa。根據現場地質資料及我國煤礦原始應力場分布的一般規律,取側壓系數1.2,采用平面應變模型。37202工作面距左、右側邊界均為40 m。整個模型由多種巖層構成。其巖層及節理的力學參數見表1。

表1 數值模型各巖層力學參數

2.2.2 數值模擬內容

以71煤層和72煤層工作面現場情況為基礎,合理確定37102運輸巷與37202運輸巷之間煤柱水平寬度L1大小,以及37102回風巷與37202回風巷之間煤柱水平寬度L2大小,為此,在保持其它參數不變的情況下,改變L1和L2的大小(5 m、10 m、15 m、20 m和25 m等),模擬不同煤柱寬度在巷道掘進和采面回采期間的應力分布和對巷道圍巖變形的影響,從而得出合理的護巷煤柱寬度。

2.2.3 護巷煤柱內應力分布

在數值計算的過程中取位于煤柱高度一半的中部層位研究護巷煤柱在上煤層巷道掘進期間及工作面回采期間的煤柱垂直應力分布情況與煤柱寬度的關系,在37102回風巷、運輸巷掘進期間及37102工作面回采期間,37202回風巷、運輸巷護巷煤柱內垂直應力分布見圖2和圖3。

由圖2可以看出,在37102運輸巷掘進期間及37102工作面回采期間,37202運輸巷護巷煤柱內垂直應力分布具有以下特征。

(1)在巷道掘進期間,應力分布隨煤柱寬度的增大變得相對緩和,最大應力峰值為9.9 MPa,分布在5 m煤柱上,呈單峰值分布,隨煤柱寬度的增大,應力呈雙峰值分布。

(2)在工作面回采期間,因受采動的影響,使煤柱內的垂直應力猛增,并且煤柱越小,應力增幅越快,煤柱越大,應力增幅相對越慢。5m的煤柱應力增幅為2.9 MPa;10 m的煤柱應力增幅為1.5 MPa;15 m、20 m、25 m煤柱應力增幅均為1 MPa。

(3)煤柱寬度對應力分布影響較大,煤柱越小,兩巷引起的圍巖應力相互疊加,形成“山字狀”應力分布,煤柱受載越大;隨著煤柱寬度的增加,相互干擾相對減弱,應力疊加減小,應力分布近似“馬鞍狀”分布,煤柱受載逐漸減弱。并且,掘進和工作面回采對煤柱應力分布的影響程度不同,采動影響大于掘進影響,最大峰值位于采空區下方4～5 m范圍內。

由圖3可以看出,在37102回風巷掘進期間及37102工作面回采期間,37202回風巷護巷煤柱內垂直應力分布具有以下特征。

(2)在工作面回采期間,因受采動影響,使煤柱內的垂直應力猛增,并且煤柱越小,應力增幅越快,煤柱越大,應力增幅相對越慢。5 m的煤柱應力增幅為2.8 MPa;10 m的煤柱應力增幅為2 MPa;15 m、20 m和25 m的煤柱應力增幅均為1 MPa。

(3)煤柱寬度對于應力分布影響較大,煤柱越小,兩巷引起的圍巖應力相互疊加,煤柱受載越大,隨著煤柱寬度的增加,相互干擾相對減弱,應力疊加減小,煤柱受載逐漸減弱。并且,掘進和工作面回采對煤柱應力分布的影響程度不同,采動影響大于掘進影響,最大峰值位于采空區下方2～3 m范圍內。

可見,煤柱越小,應力集中越大,煤柱越不穩定,而煤柱越大,應力疊加越不明顯,煤柱越穩定;采掘對煤柱應力的分布影響程度不一樣,掘進對煤柱的應力分布影響相對較小,而采動對煤柱的應力分布影響較大;不同埋深的煤柱應力分布大小不同,埋藏越深煤柱應力越大。煤柱應力最大峰值受煤層傾角的影響,其峰值位置隨煤層傾角增加呈現沿傾斜方向下移的特征。

2.2.4 巷道表面位移與煤柱寬度的關系

(1)37202運輸巷表面位移與煤柱寬度的關系。

圖4 37102運輸巷掘進期和工作面回采期間

37102運輸巷掘進期和工作面回采期間37202運輸巷表面位移與煤柱寬度的關系見圖4。由圖4可以看出,37202運輸巷表面位移量隨著護巷煤柱變化呈現以下特點:

采掘對巷道的圍巖變形都產生重要的影響,但影響程度不同,采動大于掘進影響,采動影響時,頂板下沉量大于煤柱側煤幫變形量,而掘進期間,煤柱側煤幫變形量大于頂板下沉量,不論是掘進還是采煤影響,實體煤側煤幫移近量最小;

巷道圍巖變形量隨煤柱的寬度的增大而減小,但變化速率不同,5～15 m范圍,變形速率較大,說明巷道處在此范圍內,巷道變形量較大而不穩定,隨著煤柱寬度的增大,大于15 m之后(包括15 m),巷道圍巖變化速率減緩,變形量漸漸穩定,處在此范圍內的巷道受采掘影響相對較小,巷道易于維護。

2.5 健康指導 向患者闡述與疾病相關的知識，提高對曼氏裂頭蚴感染危害性的認識，說明食物除應具備的營養要素外，還應保證其衛生安全，防止有害因素引起的食源性疾病。首先，養成良好的個人衛生習慣，做到飯前便后要洗手，注意手的衛生是飲食安全的第一步。其次，養成良好的飲食衛生習慣，不吃不潔食物，不飲用生水等，防止病從口入。生、熟食要分開處理，烹調食物時，要充分煮熟，保持餐具清潔衛生。

(2)37202回風巷表面位移與煤柱寬度的關系。

圖5 37102回風巷掘進期和工作面回采期間

37102回風巷掘進期和工作面回采期間37202回風巷表面位移與煤柱寬度的關系見圖5。由圖5可以看出,37202回風巷表面位移量隨著護巷煤柱變化呈現以下特點:

采動時,頂板下沉量大于煤柱側煤幫變形量,而掘進期間,煤柱側煤幫變形量大于頂板下沉量,不論是掘進還是采煤影響,實體煤側煤幫移近量最小;

巷道圍巖變形量隨煤柱的寬度的增大而減小,但變化速率不同,5～10 m范圍,變形速率較大,說明巷道處在此范圍內,巷道變形量較大而不穩定,隨著煤柱寬度的增大,大于10 m之后(包括10 m)巷道圍巖變化速率減緩,變形量漸漸穩定,處在此范圍內的巷道受采掘影響相對較小,巷道易于維護。

可見,不同寬度的煤柱對巷道的圍巖變形產生不同的影響,煤柱越小,巷道圍巖變形量越大,巷道越不穩定,反之,巷道圍巖變形量越小,巷道越穩定;采動對巷道圍巖的變形影響較大。

2.2.5 數值模擬確定的煤柱寬度

(1)采掘對煤柱應力的分布影響程度不一樣,掘進對煤柱的應力分布影響相對較小,而采動對煤柱的應力分布影響較大,并且,不同埋深的煤柱應力分布大小不同,埋藏越深煤柱應力越大。采掘對不同寬度煤柱的應力分布影響不同,煤柱越小,應力集中越大,煤柱越不穩定,而煤柱越大,應力疊加越不明顯,煤柱越穩定。

(2)采掘對巷道的圍巖變形同樣都產生重要的影響,但影響程度不同,采動影響大于掘進影響,采動時,頂板下沉量大于煤柱側煤幫變形量,而掘進期間,煤柱側煤幫變形量大于頂板下沉量,不論是掘進還是采煤影響,實體煤側煤幫移近量最小。并且,巷道圍巖變形量隨煤柱寬度的增大而減小。

(3)煤柱寬度的確定既要考慮采動的影響,又要考慮煤炭資源的回收以及現場實際。綜上所述,37202運輸巷煤柱寬度應大于或等于15 m,而37202回風巷的煤柱寬度應大于或等于10 m。綜合考慮各種因素,劉東煤礦西三采區護巷煤柱的寬度確定為15 m。

3 聯合開采的時空關系分析確定

根據巷道布置及煤柱寬度的分析,確定71、72煤層實行下行式聯合開采,回采巷道采用外錯式布置方式,兩工作面之間的相對位置關系如圖6所示。

圖6 兩工作面相對位置圖

各巷道的施工順序為:首先沿7煤層頂板施工采面的回風巷與運輸巷,待施工到71、72煤層分叉點處,向下沿72煤層掘進37202回風巷與運輸巷,待系統形成后,分別在37202回風巷與運輸巷A、B點(71煤層的變薄處)開口作斜巷,進入71煤層,然后沿71煤層頂板施工37102回風巷與運輸巷及切眼,37102回風巷平行于37202回風巷布置,兩巷間的煤柱水平寬度L2,37102運輸巷平行于37202運輸巷布置,兩巷間的煤柱水平寬度L1,巷道采用炮掘施工。

37102工作面走向長度為165 m,根據劉東煤礦現有的生產技術條件,設計工作面日推進距離2.4 m,則37102工作面預計開采時間約為3個月。

37102工作面的煤層厚度平均為1.4 m,根據劉東煤礦以往類似條件下,71煤層開采后,上覆巖層活動的穩定時間在3個月左右。因此確定37102工作面推進到71煤層變薄帶,即37102工作面完全回采完畢后,等待1個月后以保證上覆巖層活動完全穩定,然后回采72煤層,可以確保71煤層的上覆巖層活動不會對72煤層回采造成影響。

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[2] 陸士良,孫永聯,姜耀東.巷道與上部煤柱邊緣間水平距離X的選擇[J].中國礦業大學學報,1993(2)

[3] 陸士良,姜耀東,孫永聯.巷道與上部煤層間垂距Z的選擇[J].中國礦業大學學報,1993(1)

[4] 郭文兵,劉明舉,李化敏,史新林.多煤層開采采場圍巖內部應力光彈力學模型研究[J].煤炭學報,2001(1)

Study on width of the coal pillar for the combined mined unstable very contiguous seams

Song Chengbiao
(Liudong Coal Mine,Xinguang Group,Huaibei,Anhui 235000,China)

This paper analyzes the width of the coal pillar for the combined mined unstable very contiguous seams by theoretical analysis and FLAC numerical simulation.On basis of the side abutment pressure pattern and empirical formula,it finds that the coal pillar must be wider than 14m to avoid influence of the peak value of the side abutment pressure.It concludes from numerical simulation that tunneling effect on the stress distribution of the pillar is relatively minor while influence of mining is major;the deeper the pillar is buried,the bigger of the stress;and the effect of mining on pillar stress varies along with the width of the pillar:the wider the pillar is,the more stable of the pillar.Considering various factors,coal pillar width of the Western 3rd mining area of Liudong Mine is determined into 15m.

unstable very contiguous seams,combined mining,coal pillar,theoretical analysis,numerical simulation

TD822.3

A

宋成標(1967-),男,江蘇鹽城人,現任新光集團劉東煤礦副礦長,主要從事采掘生產技術管理工作。

(責任編輯 張毅玲)