保德煤礦8#煤層護巷煤柱合理寬度的確定

王 宇

(中國神華榆林神華能源股份有限責任公司 青龍寺煤礦,陜西 神木 719300)

保德煤礦8#煤層護巷煤柱合理寬度的確定

王 宇

(中國神華榆林神華能源股份有限責任公司 青龍寺煤礦,陜西 神木 719300)

針對保德煤礦8#煤層水平應力大,采用寬度為35 m的護巷煤柱仍難以保障巷道的穩定性,同時使煤炭的采出率和經濟效益降低的問題。在8#煤層頂板結構及地質條件基礎上,采用理論研究、數值模擬、現場測試相結合的方法,得出8#煤層護巷煤柱采用留小煤柱的方法,即采用寬度為12 m的護巷煤柱。通過松動圈測試試驗結果分析表明:留設12 m護巷煤柱寬度實驗效果較好,為保德煤礦護巷煤柱合理寬度的確定提供了科學依據,保證了8#煤層的安全高效開采。

保德煤礦;護巷煤柱;煤柱寬度;小煤柱

綜放開采采準巷道護巷煤柱合理寬度的確定,直接影響著回次工作面和掘進工作面的正常生產和安全管理[1]。目前,我國留設煤柱保護采準巷道仍是許多煤礦采取的主要護巷方法(如潞安礦區),國外多數國家也是如此。由于回采巷道圍巖的大變形、難支護特點,護巷煤柱的寬度就至關重要。研究表明[2-10],煤柱寬度變化所引起的煤柱內和與之相鄰工作面內力學特征也應發生變化,將直接影響巷道圍巖變形破壞規律及其穩定性。文章運用理論研究、數值模擬和現場測試相結合的方法,綜合分析了開采深度、煤層采動影響、煤體的力學參數、三軸應力、巖體強度、巷道周邊的塑性破壞以及煤柱隨時間的蠕變等因素對煤柱寬度的影響。確定了采用留設小煤柱的方法,使煤柱的留設既有利于巷道維護,又盡量減少煤炭損失,對提高綜放開采的采區采出率非常重要[11-15]。

1 試驗巷道地質條件分析

試驗巷道位于保德礦8#煤層88109回風巷與88110膠運巷之間,88109與88110回采工作面(以下簡稱109和110工作面)均尚未回采,109工作面回采時110膠運巷作為109工作面的輔運巷。三條巷道斷面均設計為矩形,跨度為5.0 m,高度為3.5 m。試驗巷道地點埋深114 m～205 m,試驗巷道工程布置,見圖1。

圖1 試驗巷道工程布置圖Fig.1 Layout of experimental roadway

8#煤層結構較為復雜,夾矸4層-5層,單層夾矸最大厚度0.45 m,煤厚4.14 m～5.36 m,煤層走向近南北,傾角為2°～5°。通過地應力測量結果表明,保德礦的地應力場屬于水平構造應力場,地應力是以水平壓應力為主導,最大主應力的方向為119.35°,最大主應力值為10.82 MPa,為垂直應力場的1.88倍,屬于較大水平應力。

2 護巷煤柱寬度理論計算

煤柱的寬度是影響煤柱的穩定性和巷道維護的主要因素[16-20]。煤柱的寬度決定了巷道與回采空間的水平距離,影響到回采引起的支承壓力對巷道的影響程度及煤柱的載荷。煤柱的極限承載能力,不僅取決于煤柱的邊界條件和力學性質,還取決于煤柱的幾何尺寸和形狀。

煤柱的合理寬度能夠保證護巷煤柱的穩定性,在109工作面,護巷煤柱一側為回采空間,一側為采準巷道?；夭煽臻g和采準巷道在護巷煤柱兩側形成各自的塑性變形區,塑性區的寬度分別為x0、x1。因此,護巷煤柱保持穩定的基本條件是:煤柱兩側產生塑性變形后,在煤柱中央存在一定寬度的彈性核,彈性核的寬度應不小于煤柱高度的2倍。所以,合理的煤柱寬度B應滿足圖2計算的煤柱寬度。

圖2 煤柱寬度計算Fig.2 Width calculation of coal pillars

圖2中m為煤柱的高度,煤柱寬度的計算公式為:

B=x0+2m+x1.

(1)

根據巖體極限平衡理論,塑性區的寬度,即支承壓力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間的距離x0的公式為:

(2)

式中:K為應力集中系數,兩側采動時取4.0;P1為支架對煤幫的阻力,取0;m為煤層開采厚度,m;C為煤體的粘聚力,通常取煤體試樣粘聚力的0.45～0.75倍;φ為煤體的內摩擦角,取35.6°;f為煤層與頂底板接觸面的摩擦因數,f=tgφ/4;ξ為三軸應力系數,ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

對于保德礦88109工作面,計算得煤柱寬度B為15.84 m。

3 護巷煤柱寬度的數值計算分析

3.1數值計算模型的建立

數值模擬巷道研究選擇在88109回風巷與88110膠運巷之間,數值模型的高度為40 m,巷道走向長度為50 m,煤柱兩側各留100 m,數值模擬模型見圖3、圖4,模型參數，如表1所示。針對理論計算煤柱寬度為15.84 m,所以選取煤柱寬度分別為20 m、12 m和8 m的三種數值模擬方案,通過比較分析確定煤柱的合理寬度,見圖5。

圖4 數值模擬剖面模型Fig.4 Numerical simulation profile model

表1 數值模擬計算參數(Table 1 Parameters of numerical simulation)

圖5 數值模擬方案Fig.5 Numerical simulation scheme

3.2護巷煤柱寬度的數值計算

工作面開采過程破壞了原巖應力場的平衡狀態,引起回采空間周圍巖層應力重新分布,對巷道的布置有著重要的影響,即對護巷煤柱寬度有著決定性的作用。數值模擬煤柱寬度分別為20 m、12 m、8 m時,巷道垂直應力變化見圖6-圖11。

6-a 煤壁位置

6-b前方5 m圖6 20 m煤柱時巷道圍巖塑性破壞Fig.6 Plastic failure of surrounding rock with 20 meters wide coal pillars

圖7 20 m煤柱時煤壁位置巷道垂直應力變化曲線Fig.7 Vertical stress variation at coal walls with 20 meters wide coal pillars

8-a 煤壁位置

8-b 前方5 m圖8 12 m煤柱時巷道圍巖塑性破壞Fig.8 Plastic failure of surrounding rock with 12 meters wide coal pillars

圖9 12 m煤柱時煤壁位置巷道垂直應力變化曲線Fig.9 Vertical stress variation at coal walls with 12 meters wide coal pillars

10-a 煤壁位置

10-b 前方5 m圖10 8 m煤柱時巷道圍巖塑性破壞Fig.10 Plastic failure of surrounding rock with 8 meters wide coal pillars

圖11 8 m煤柱時煤壁位置巷道垂直應力變化曲線Fig.11 Vertical stress variation at coal walls with 8 meters wide coal pillars

由上圖分析可知:

1)煤柱寬度為20 m時,工作面位置和前方5 m位置的垂直應力變化分析表明,在煤壁位置,開采側距煤壁4.0 m時支承應力最大,為8.65 MPa,巷道側距煤壁4.0 m時支承應力最大,為8.65 MPa;在前方5 m位置,開采側距煤壁4.5 m時支承應力最大,為9.46 MPa,巷道側距煤壁3.5 m時支承應力最大,為9.0 MPa。說明開采后,開采側的側向彈塑性區范圍為4.5 m,巷道側的側向彈塑性區范圍為4.0 m。

2)煤柱寬度為12 m時,工作面位置和前方5 m位置的垂直應力變化分析表明,在煤壁位置,開采側距煤壁4.0 m時支承應力最大,為9.53 MPa,巷道側距煤壁4.0 m時支承應力最大,為9.53 MPa;在前方5 m位置,開采側距煤壁3.5 m時支承應力最大,為10.2 MPa,巷道側距煤壁3.5 m時支承應力最大,為10.0 MPa。說明開采后,開采側的側向彈塑性區范圍為4.0 m,巷道側的側向彈塑性區范圍為4.0 m。

3)煤柱寬度為8 m時,工作面位置和前方5 m位置的垂直應力變化分析表明,在煤壁位置,開采側距煤壁4.0 m時支承應力最大,為9.98 MPa,巷道側距煤壁4.0 m時支承應力最大,為9.98 MPa;在前方5 m位置,開采側距煤壁3.5 m時支承應力最大,為11.98 MPa,巷道側距煤壁3.5 m時支承應力最大,為11.98 MPa。說明開采后,開采側的側向彈塑性區范圍為4.0 m,巷道側的側向彈塑性區范圍為4.0 m。在煤柱中部應力疊加,8 m煤柱條件下,煤柱中間沒有彈性核區域。

綜上所述,不同煤柱條件下的側向彈塑性區范圍與合理煤柱尺寸分析表明,8 m煤柱條件下煤柱中部應力疊加,使得煤柱中間沒有彈性核區域,不能保證煤柱的穩定性。通過比較20 m、12 m煤柱寬度的彈塑性區范圍可得12 m寬度的煤柱在垂直應力作用下彈塑性區較小,更有利于煤柱的穩定性,所以選擇煤柱寬度為12 m。這與理論計算分析結果較吻合。

4 現場測試及分析

為了分析12m煤柱的穩定性和支護效果,不同煤柱在不同階段的承載能力和試驗巷道支護效果,分別在掘進穩定階段、一次回采超前影響階段和一次回采穩定階段對實驗巷道區段煤柱尺寸為8 m和12 m的情況下測試圍巖松動圈的范圍,以考察煤柱的穩定性和支護效果。

在88109回風順槽、88110膠運順槽、8 m煤柱和12 m煤柱試驗巷道內分別進行了松動圈測試。圖12為掘進影響階段松動圈測試點布置。對試驗巷道掘進階段、一次回采影響階段、一次采動穩定階段的深基點觀測松動圈測試范圍,并對巷道變形狀況進行觀測分析。表2為不同巷道位置、不同開采階段的松動圈測試結果。

通過對松動圈測試結果分析可得,在88109掘進階段和一次采動超前階段,由于受超前應力影響巷道內,隨著距工作面距離越近,松動圈逐漸增大,回風順槽煤柱幫的松動圈由距面50 m位置的0.5 m增大到距面30 m位置的1.0 m;割煤幫由1.0 m增大到1.8 m。在一次采動超前階段,12 m煤柱的塑性區范圍為1.1 m,8 m煤柱塑性區范圍為1.15 m。由一次采動超前階段過渡到一次采動影響穩定階段,12 m煤柱的塑性區范圍增大到1.7 m增加了54%,8 m煤柱的塑性區范圍增大到2.5 m增加了117%。

圖12 松動圈測試點布置Fig.12 Testing points layout of loose rock zone

表2 不同巷道位置、不同開采階段的松動圈測試結果Table 2 Loose rock zone testing results at different positions and mining stages

通過比較分析8 m煤柱實驗巷道和12 m煤柱實驗巷道塑性區變化范圍得出,12 m煤柱的支撐效果較好,所以根據松動圈試驗測試結果,分析護巷煤柱寬度為12 m時,較適合保德煤礦的地質和開采條件。這與數值計算結果分析相吻合,進而得出保德煤礦宜采用留設12 m寬度小煤柱的方法來維護巷道,這樣在能夠保障煤柱穩定性的同時可以提高礦井的采出率,使礦井獲得良好的經濟效益。

5 結 論

1)通過理論計算分析,保德礦88109工作面煤柱寬度為15.84 m。針對理論計算分析結果,分別設計20 m、12 m、8 m三種數值模擬方案,數值模擬結果分析8 m煤柱條件下煤柱不能保證煤柱的穩定性,比較20 m、12 m煤柱寬度的彈塑性區范圍可得12 m寬度的煤柱在垂直應力作用下彈塑性區較小,更有利于煤柱的穩定性,所以選擇煤柱寬度為12 m。

2)針對試驗巷道受采動影響的特點,制定了試驗巷道掘進期間、一次回采影響階段和一次回采穩定階段的松動圈測試方案。通過測試分析結果表明,寬度為12 m的護巷煤柱較適合保德煤礦的地質和開采條件。這與數值模擬分析結果較一致,進而確定12 m寬度煤柱的合理性和可行性。在保證煤柱穩定性的同時提高了礦井的煤炭采出率,使礦井獲得了良好的經濟效益。

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DeterminationofReasonableWidthofProtectiveCoalPillarsinNo.8SeaminBaodeMine

WANGYu
(QinglongsiMine,ShenhuaEnergyCo.,Ltd.,Shenmu719300,China)

Due to large horizontal stress in No.8 coal seam of Baode Mine, it is difficult to keep the roadway stability with 35 meters wide protective pillars. In addition, its recovery rate and economic benefits are low. Based on the roof structure and geological condition, theoretical study, numerical simulation, and field test were combined to determine the protective pillars to be 12 meters wide small coal pillars. Loose rock zone measurements showed better experimental effects of the 12 meters wide retaining protective pillars. The determination method is scientific, which could ensure the safe and efficient mining in the No.8 coal seam.

Baode mine;protective coal pillars;width of coal pillar;small coal pillars

1672-5050(2017)03-0034-06

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.010

2017-03-22

王 宇(1981-),男,黑龍江拜泉人,工程碩士,工程師,從事煤礦生產技術及管理工作。

TD325

A

(編輯:武曉平)