長壁采場超前應力分布及煤柱留設研究

·試驗研究·

(E-mail)zhs58885@163.com

長壁采場超前應力分布及煤柱留設研究

趙海生1,2

(1.太原理工大學 礦業工程學院,山西太原030024；2.國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古鄂爾多斯017209)

摘要察哈素煤礦3101工作面為大采高首采工作面，埋深較周圍礦井深。掌握該工作面支撐壓力分布規律，從而確定回采巷道超前支護距離和支護方式，對沿空留巷維穩提供了科學依據。本文運用極限平衡理論分析和現場實測的方法研究3101首采工作面支撐壓力分布規律,并計算煤柱合理留設寬度。結果表明，支承壓力理論計算的超前壓力影響范圍與現場實測結果基本吻合。

關鍵詞極限平衡理論；支承壓力分布；煤柱寬度；現場實測

收稿日期：2015-02-10

作者簡介：趙海生(1966—)，男，內蒙古赤峰人，2013級太原理工大學工程碩士研究生，高級工程師，主要從事煤礦生產技術管理工作

中圖分類號：TD322

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0033-03

Abstract3101 working face is the first large mining height working face of Chahasu coal mine. 3101 coal seam's buried depth than the surrounding of deep mine.Knowing well the working face support pressure distribution rule will determine the consecutive forepole distance and the supporting method,it will provide the scientific basis about the stability of empty left lane.In this paper,using the limit equilibrium theory analysis and field measurement studies the rule of 3101 working face support pressure distribution,and calculates the reasonable pillar width.The results show that the pressure affect distance by using advance support stress theoretical calculation was consistent with the measured results.

隨著回采工作的進行，采場圍巖應力重新分布，受煤巖體自重應力和覆巖運動的影響，煤體和煤柱邊緣部分首先遭到破壞，集中應力逐漸向其深部擴展，直至煤體(煤柱)承載強度與支承壓力達到平衡，這部分煤體應力處于應力極限平衡狀態[1,2]。運用煤巖體的極限平衡理論，就可以求出極限平衡區內支承壓力大小及其與煤體邊緣之間的距離關系式，從而可得出采場超前應力和護巷煤柱內應力的分布情況，并為巷道超前支護、頂板控制和采場生產管理等提供理論依據和指導[1]。

1礦井生產地質概況

內蒙古國電建投察哈素煤礦3101大采高長壁綜采工作面為該礦首采工作面，工作面埋深398.8 m，走向長度2 503.74 m，傾斜長度300.58 m，煤層厚度總體變化較小，局部有波狀起伏，屬于穩定偏較穩定煤層。煤層實際采高約5 m，煤層地質構造簡單，傾角平緩，一般1°～3°. 煤層上方24.15～30.50 m頂板巖性由泥巖、砂質泥巖和中粒砂巖組成，其中中粒砂巖為主體巖層。工作面直接底為0.85～1.8 m的炭質泥巖；基本底為5.35～14.15 m的粗粒砂巖。

2極限平衡區支承壓力理論計算

假設煤體是均質連續的各向同性體，在煤壁內任取一寬度為dx、長為單位1的單元體。在x軸方向上，單元體靠煤壁側承受的壓力為σx，另一側為σx+dx，在y軸方向上所受壓力為σy. 采場前、后方支承壓力分布規律及工作面前方煤體內部受力狀態見圖1[2,3].

圖1　工作面超前支承壓力分布和受力分析示意圖

在二維應力狀態下，當單元體處于極限平衡狀態時(∑F=0)，可建立極限平衡方程[2,3]：

M(σx+dσx)-Mσx-2σyfdx=0

(1)

結合庫侖-莫爾強度準則，可得出極限平衡區內的支承壓力σy表達式為：

(2)

式中：

M—煤層采高，m；

f—層面間的摩擦因數；

φ—煤體的內摩擦角，(°)；

x—極限平衡區內任一點到煤壁的距離，m；

τ0—煤體內聚力，MPa；

τ0cotφ—煤體自撐力。

令工作面超前支承應力峰值σymax=KγH，則峰值點距煤壁的距離x0為：

(3)

式中：

K—應力集中系數；

γ—煤層容重，MN/m3；

H—煤層埋深，m.

結合式(2)和式(3)可以看出，當其它力學條件相同時，隨著采深的增加，采場超前支承壓力峰值點至煤壁的距離呈對數增長；隨著采高的增大，采場前方支承應力峰值大小會有所降低，而支承應力峰值點位置則會向煤體深部轉移。

3超前支承壓力分布規律

根據二維應力狀態下，采場前方彈性區內支承壓力計算公式(4)，可得煤體內彈性區分布寬度x1的計算表達式(5-6)[3]：

(4)

(5)

(6)

式中：

β—非凈水應力，β=β0/λ；

β0—凈水應力(平均應力)；

λ—非靜力狀態側壓系數，λ=σy/σx=μ/(1-μ)；

μ—泊松比。

由式(4)和式(5)可以看出，采場超前支承應力彈性區的范圍隨采高的增加而增大，彈性區(超前)應力峰值隨采深的增加而明顯增大。

根據3101工作面實際地質情況，相關計算參數見表1.通過理論分析，可得出工作面超前應力分布規律見圖2.計算結果顯示：3101工作面超前支承應力峰值點距煤壁6.3 m，超前支承應力影響范圍為29.5 m.

表1　3101工作面超前應力分布計算參數表

圖2實測工作面超前應力分布理論計算模型圖

4煤柱合理留設寬度

護巷煤柱寬度是工作面開采設計的重要參數，合理的煤柱寬度直接決定了煤炭的采出率，同時影響到巷道的使用效率和維護成本。因此，確定護巷煤柱的合理寬度對提高采區采出率和維護工作面安全生產有著非常重要的意義[4,5]。根據前文所述，開采空間和回采巷道在護巷煤柱的兩側會形成各自的塑性變形區，寬度分別為x0和R[6]。

巷道采動后，護巷煤柱保持穩定的基本條件是彈性核的寬度應不小于煤柱高度(即采高M)的2倍。考慮安全系數，可得煤柱保持穩定的合理寬度B的表達式：

B≥k(x0+2M+R)

(7)

式中：

k—安全系數，取1.15~1.45;

x0—開采側煤柱塑性區寬度為，m；

R—巷道側煤柱塑性區寬度為，m.

煤柱內應力分布示意圖見圖3.

根據彈塑性理論求得巷道圍巖塑性區寬度為[4,5]：

圖3　煤柱內應力分布示意圖

(8)

式中：

γ1—巖體平均體積力，kN/m3；

r0—巷道等效半徑，m；

h—順槽高度，m；

C—煤體內黏聚力，MPa；

τ—冒落巖石、支護設施等對煤柱的側向約束力，MPa.

因此，由公式(7)和公式(8)可知，影響保護煤柱寬度留設的主要因素有煤層埋藏深度、煤層厚度、煤層傾角、煤的硬度、巷道斷面大小、支護阻力等。根據3101工作面的實際情況，選取參數值見表2.

表2　煤柱計算參數表

將表2內參數帶入公式(7)、(8)中，計算得出3101工作面保護煤柱寬度應大于1.2×(6.3+10+0.4)=20.0 m.

5現場實測分析

為驗證理論計算結果，分別對3101工作面回風巷錨桿測力計和頂板離層儀所測數值隨工作面推進的變化情況進行分析。3101運輸巷前、后方支承應力分布情況見圖4.

圖4　3101運輸巷前、后方支承應力分布情況圖

觀測結果如下：

根據圖4所反映的3101工作面回風巷頂錨桿受力和離層變化特征，可沿工作面走向將工作面推過測點前的采動影響區域劃分為3個區段，各區段具體情況分析如下：

第一區段：采動影響輕微區(距工作面32.1 m以外區域)。錨桿測力計和離層記錄儀數值基本保持平穩，應力曲線呈近水平線分布，圍巖受其影響顯現不顯著。

第二區段：采動影響明顯區(距工作面9～32.1 m區域)。隨工作面繼續推進，超前支承壓力開始呈明顯增大趨勢。

第三區段：采動影響劇烈區(距工作面0～9 m區域)。超前支承壓力值急劇增大，前方支承壓力在距工作面6 m左右位置達到峰值，受應力集中影響，巷道圍巖變形速度迅速增大，并伴有明顯片幫、鋼帶變形等現象。

綜合不同監測方法所得數據顯示：3101工作面超前支承應力峰值距煤壁6 m左右，應力影響范圍在32.1～38 m，與超前應力分布理論計算結果基本相符。

在工作面推過測點后，錨桿應力值-13 m位置達到應力峰值，隨工作面繼續推進又逐漸減小，在滯后工作面約80 m時，錨桿受力基本穩定；頂板離層數據顯示在工作面推過測點約25 m時，離層量達到最大，隨后離層量隨工作面繼續推進又逐漸減小，在滯后工作面約120 m時，頂板離層基本穩定。工作面推過測點后，巷道頂部錨桿測力計數值持續保持受載，說明煤柱在采空區(120 m)范圍內始終處于彈性壓縮狀態，具有較高的自承能力。

6結論

1) 根據極限平衡理論計算得出,采場超前應力分布除受煤巖體自身性質影響外，主要受采高和埋深影響；影響保護煤柱寬度留設的主要因素有巷道斷面大小、煤層傾角和支護方式等。

2) 通過實測得出，3101工作面超前支承應力峰值在距工作面6 m左右位置，應力影響范圍為32.1 m，與理論計算結果基本吻合。

3) 理論計算得出，3101工作面煤柱合理留設寬度應不小于20 m，通過現場觀察，煤柱留設20 m寬時穩定性較好，具有較強自承能力。

參考文獻

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003：21-23.

[2]王振,歐聰,梁運培,等.不同采厚條件下超前支承壓力分布規律的模擬研究[J].礦業安全與環保,2008,35(2):17-22.

[3]楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，2010，35(11):1842-1853.

[4]崔廷鋒,張魁,徐新斌.大采高工作面回采巷道護巷煤柱合理寬度研究[J].中國礦業,2012,21(5): 88-90.

[5]李占魁.大采高綜采工作面煤壁片幫機理與控制技術研究[D].安徽理工大學,2014.

[6]屠世浩,白慶升,屠洪盛.淺理煤層綜采面護巷煤柱尺寸和布置方案優化[J].采礦與安全工程學報,2011,28(4):505-510.

Research on the Advance Support Pressure Distribution and

Pillar Width in Long-wall Mining

ZHAO Haisheng

Key wordsLimit equilibrium theory; Support pressure distribution; Pillar width; Actual measurement