特厚煤層綜放面區段煤柱合理尺寸研究

蔡志炯

(大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司,山西省大同市,037000)

?

特厚煤層綜放面區段煤柱合理尺寸研究

蔡志炯

(大同煤礦集團金莊煤業有限責任公司,山西省大同市,037000)

摘 要根據金莊礦8203特厚煤層綜放面實際,采用理論分析、數值模擬以及現場實測相結合的方法確定了區段煤柱合理寬度。理論研究了煤層厚度、應力集中系數、煤層強度對煤柱寬度的影響,確定區段煤柱寬度應大于23 m。采用FLAC3D模擬了煤柱寬度為16 m、20 m和24 m時,其兩側工作面開采過程中煤柱內塑性區和應力分布及變化規律,模擬結果表明煤柱寬度為16 m、20 m時,在兩側工作面回采的過程中,塑性區將會貫通煤柱;當煤柱寬度增加到24 m時,塑性區沒有貫穿整個煤柱,煤柱內部存在8 m寬的彈性區。現場實測表明左側工作面回采過程中煤柱破壞寬度為5 m左右,右側工作面回采階段煤柱破壞寬度為15 m,故首采工作面采用30 m寬的煤柱尺寸偏大,同理本研究也為后續工作面選擇合理的區段煤柱尺寸提供了指導。

關鍵詞特厚煤層 區段煤柱 數值模擬 煤柱尺寸

Study on reasonable size of section coal pillar in fully mechanized caving face in extra-thick coal seam

Cai Zhijiong
(Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037000,China)

Abstract According to actual condition of 8203 fully mechanized caving face in extra-thick coal seam in Jinzhuang Mine,the reasonable size of section coal pillar was determined by theoretical analysis,numerical simulation and field measurement.The effects of seam thickness,stress concentration factor and coal strength on pillar width were analyzed by theoretical study,and it confirmed that the width of section coal pillar must be greater than 23 m.The distribution and change rules of plastic zone and stress in coal pillar in the mining process of working faces on both sides of coal pillar were simulated by FLAC 3D when the width of coal pillar was designed as 16 m,20 m or 24 m.The results showed that when the width of coal pillar was 16 m or 20 m,the plastic zone could get throughout the pillar;when the width was 24 m,the plastic zone could not get through the pillar and there was an 8 m wide elastic zone in the pillar.Field measurement indicated that the failure width of the section coal pillar in the mining process of the left-side face and right-side face were respectively 5 m and 15 m,so the 30 m wide coal pillar in first mining face was too large.This research also provided guidance for follow-up working face mining to select reasonable size of section coal pillar.

Key words extra-thick coal seam,section coal pillar,numerical simulation,coal pillar size

長壁工作面開采中,留設區段煤柱維護回采巷道的穩定性一直是最廣泛使用的方法.目前一些學者從理論分析、數值模擬、現場實測等方面對沿空掘巷小煤柱尺寸和穩定性進行了大量研究,取得了一些成果.有文章研究表明在煤層厚度不是特別大的條件下,綜放面區段小煤柱能保證回采巷道的穩定性;還有文獻研究表明在采動支承壓力作用下特厚煤層綜放面區段窄煤柱穩定性差、巷道變形量大.留設大煤柱(＞15 m)依然是特厚煤層綜放面的主要巷道布置方式,但目前針對特厚煤層區段留設大煤柱的相關研究還較少.本文針對金莊礦實際生產條件,開展了特厚煤層綜放面區段煤柱合理尺寸的研究.

1　工程概況

金莊礦8203首采工作面為北二盤區內從井底車場順大巷往東南方向布置的第三個工作面,其西南側為相鄰的8202工作面,是首采面的接替面,8203工作面走向長1450 m,傾斜長220 m,主采石炭系3＃、5＃煤層,煤厚12.20～18.10 m.偽頂為灰黑色泥巖,厚度0.6～6 m,直接頂為灰白色細砂巖,厚度5～12 m,老頂為灰白色含礫粗砂巖、粉砂巖與中粒砂巖互層,厚度15～30 m,根據現場實測,8203首采面的5203回風巷與接替8202工作面的2202運輸巷巷間的區段煤柱寬度為30 m,根據現場需要,進一步研究了巷道變形、煤柱應力等方面內容,以論證所留設煤柱寬度的合理性.

2　理論計算分析

由于區段煤柱長度遠大于其寬度,因此可以將其視為平面問題,不考慮煤柱前、后兩端的邊緣效應.王旭春等在A·H·威爾遜煤柱設計理論的基礎上通過詳細的推導與分析,給出了煤柱所能承受的極限載荷為:

煤柱實際承受的載荷為:

式中:a——煤柱寬度,m;

b——采寬(工作面寬度),m;

H——開采深度,m;

γ——上覆巖層的平均體積力,N/m3;

C——煤體的黏聚力,MPa;

φ——為內摩擦角,(°);

λ——應力集中系數,試驗取0.4～0.8;

k——實際煤柱寬度與A·H·威爾遜煤柱寬度之比,取0.225～0.25;

M——平均采厚,取16 m;

L——條帶煤柱的長度,m.

保證煤柱不失穩的必要條件為:

由式(1)～(3)可得:

由式(4)可知,煤柱寬度與煤層厚度、k值、內摩擦角以及應力集中系數等有關,結合8203工作面實際成產條件工作面寬度為220 m,上覆巖層的平均體積力為19000 N/m3,開采深度為300 m,煤體的黏聚力為3.07 MPa以及試驗測得數據,使用控制變量法得煤柱寬度與M、k、φ、λ之間的關系如圖1所示.

由圖1可知,綜放面區段煤柱寬度與煤層厚度、k值、應力集中系數基本呈線性關系,與內摩擦角呈非線性關系.且煤層厚度對區段煤柱寬度影響較大;內摩擦角反映了煤體強度與煤柱寬度間的關系,隨著煤體強度的增加,煤柱寬度逐漸降低,且降低幅度也隨之下降.金莊礦8203工作面實際條件中煤層平均厚度M為16 m,k值取0.225,內摩擦角φ取35°,應力集中系數取0.8,得工作面區段煤柱寬度應大于23 m.

圖1　煤柱寬度與M、k、φ、λ之間的關系

3　數值模擬研究

3.1數值模型建立

采用FLAC3D軟件分析煤柱兩側工作面不同開采階段煤柱的應力和塑性區演化規律.建立的數值模型尺寸為260 m×200 m×200 m (長×寬× 高),底板邊界垂直方向固定,左右和前后邊界水平方向固定,采用Mohr-Coulumb本構模型進行計算.

3.2模擬方案

模擬時煤柱寬度分別取16 m、20 m、24 m,分析左側工作面推進完成后右側工作面推進80 m、100 m、180 m和200 m時,推進方向前方110 m截面處煤柱的應力及塑性區演化情況,模擬方案如圖2所示.

圖2　模擬方案示意圖

3.3模擬結果分析

3.3.1煤柱寬度為16 m時,煤柱塑性區和應力

(1)隨著左側工作面不斷推進,煤柱左側塑性區不斷向內部發展,應力峰值不斷增大并向煤柱內部轉移.當左側工作面開采完畢后,煤柱左側塑性區深度側向達到7 m,煤柱內應力峰值達到39 MPa,采動應力集中系數為4.3左右.

(2)在右側工作面推進過程中,煤柱右側塑性區從底部開始發展,且當右側工作面推進至80 m 時,煤柱底部左右兩側塑性區首先貫通,煤柱內應力不斷增長.當右側工作面推進至200 m時,應力峰值降至17.8 MPa.

(3)左側工作面開采過程中,煤柱塑性區只在左側發展,煤柱內應力集中系數較低,煤柱可以保持較好的穩定性.但在右側工作面回采期間,在工作面推進到80 m,觀測截面110 m處煤柱內塑性區貫通,應力快速下降,表明煤柱已經失去承載能力.即煤柱在工作面前方30 m就已經發生破壞.

3.3.2煤柱寬度為20 m時,煤柱內塑性區和應力

(1)煤柱寬度由16 m增加至20 m,煤柱承載能力增大.但當右側工作面推進至100 m時,整個煤柱塑性區貫通.在右側工作面開挖的全過程中仍然發生了完全塑性破壞.

(2)20 m煤柱塑性區貫通時應力峰值比16 m煤柱小,且煤柱破壞后的整體殘余強度也要大于16 m煤柱,說明20 m煤柱比16 m煤柱承載能力強.

3.3.3煤柱寬度為24 m時煤柱內塑性區和應力

(1)當煤柱寬度由20 m增加到24 m時,煤柱塑性區發育與應力變化情況與16 m時相比煤柱受力發生了較大變化.在左側工作面推進完成時,左側塑性區最大側向發育深度為5 m,塑性區發育面積相比于20 m寬煤柱要小得多.

(2)在右側工作面推進過程中,煤柱右側塑性區不斷發育,但是與左側工作面推進過程中形成的塑性區沒有貫穿.當右側工作面推進至200 m時,煤柱塑性區形狀發育大致呈左右兩半圓形分布,其塑性區深度兩側各8 m,煤柱內部仍然存在8 m寬的彈性區,即煤柱仍處于穩定狀態.

(3)在右側工作面開采期間,開采形成的煤柱側向應力峰值不斷增大且向內移動,但與左側工作面開采形成的側向支承壓力峰值沒有重合,證明中間還有一部分應力較小的彈性區,最終煤柱應力大致呈馬鞍形分布,即煤柱兩邊雖已出現部分破壞,煤柱中間部分應力升高,但是仍有一部分處于彈性區,煤柱可保持自身的穩定.

3.3.4煤柱寬度為24 m時,工作面巷道受力

由數值模擬結果可知當煤柱寬度為24 m時,當右側工作面推進180 m時,190 m斷面處8202工作面的2202運輸巷頂板下沉量僅為230 mm,兩幫移進量也只有70 mm,右側工作面超前支護段巷道變形量較小,可以保持較好的穩定性,從而可知當煤柱寬度為24 m時,8202工作面運輸巷易維護.

4　現場實測

在首采8203工作面前方100 m的回風巷內,與底板距離1.5 m,每隔1.5 m向煤柱內布置一個鉆孔應力計,鉆孔深度依次為3 m、5 m、10 m、15 m,且為了驗證所測數據的正確性,在15 m鉆孔后方布置第二個5 m鉆孔(圖中稱為2鉆孔),鉆孔應力觀測結果如圖3所示.

圖3　鉆孔應力隨工作面推進的變化值

由圖3可知,3 m深鉆孔的應力變化表現基本與兩個5 m深鉆孔相同,只是應力峰值要比5 m鉆孔要小,這主要由于3 m處靠近煤柱邊緣,水平應力相對于5 m深處要小,因而數值應力相對減小;而10 m鉆孔則并沒有應力下降,可見其并沒有破壞;15 m鉆孔應力變化相較其他鉆孔應力變化發生了本質變化,其應力增長緩慢,也很少有突越,只有當工作面推進到距離該孔5 m時,該孔發生破裂應力才出現比較大的增長,整個過程應力始終不太大,這主要是由于15 m鉆孔深處煤柱并未破壞,側向支承壓力峰值沒有轉移到距離煤柱表面15 m處,故煤柱存在彈性區.可見采用30 m煤柱時,采動影響下煤柱破壞區寬度大約為5～10 m,巷道變形量也較小.后期右側工作面開采階段煤柱塑性區寬度大約為10 m,故煤柱內有10 m的彈性核,煤柱尺寸偏大.

5　結論

(1)采用理論分析的方法得出特厚煤層區段煤柱受煤層強度的影響較大,且與采高、k值、應力集中系數滿足線性關系,確定8203工作面煤柱寬度應大于23 m.

(2)當煤柱寬度為16 m、20 m時,當右側工作面分別回采80 m、100 m時塑性區將會貫通煤柱,導致其失去承載能力,這兩種煤柱寬度的承載能力和應力分布變化較小;而當煤柱寬度為24 m 時,在右側工作面推進過程中,塑性區沒有貫穿整個煤柱,在右側工作面推進200 m時煤柱塑性區形狀發育大致呈左右兩半圓形分布,其塑性區深度兩側各8 m,煤柱內部仍然存在8 m寬的彈性區,應力分布呈馬鞍型,煤柱處于穩定狀態.

(3)理論分析、數值模擬以及現場實測數據表明,當煤柱寬度大于23 m時,在工作面回采過程中能夠保證巷道的穩定性.所以現場采用30 m寬的煤柱尺寸偏大,可以進一步縮小煤柱尺寸,提高資源回收率.

參考文獻:

[1]王寶石.區段煤柱寬度合理留設研究[D].河北工程大學,2013

[2]屠世浩,白慶升,屠洪盛.淺埋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(4)

[3]李學華,張農,侯朝炯.綜采放頂煤沿空巷道合理位置確定[J].中國礦業大學學報,2000(2)

[4]柏建彪,王衛軍,侯朝炯等.綜放沿空掘巷圍巖控制機理及支護技術研究[J].煤炭學報,2000(5)

[5]柏建彪,侯朝炯,黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報,2004 (20)

[6]王德超,李術才,王琦等.深部厚煤層綜放沿空掘巷煤柱合理寬度試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2014(3)

[7]孔德中,王兆會,李小萌等.大采高綜放面區段煤柱合理留設研究[J].巖土力學,2014(S2)

[8]白慶升,屠世浩,袁永等.基于采空區壓實理論的采動響應反演[J].中國礦業大學學報,2013(3)

[9]蘇海.高瓦斯礦井煤柱內沿空掘巷圍巖穩定性分析[J].中國煤炭,2015(5)

[10]王旭春,黃福昌,張懷新等.AH威爾遜煤柱設計公式探討及改進[J].煤炭學報,2002(6)

[11]劉貴,徐乃忠,鄒友平.全采區與條采區隔離煤柱留設寬度研究[J].中國煤炭,2011(1)

[12]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].煤炭工業出版社,2000

[13]秦永洋,許少東,楊張杰.深井沿空掘巷煤柱合理寬度確定及支護參數優化[J].煤炭科學技術,2010(2)

(責任編輯 張毅玲)

作者簡介:蔡志炯(1981－),男,山西大同人,本科學歷,初級工程師,現從事煤礦技術管理工作。

中圖分類號TD822

文獻標識碼A