特厚煤層動壓巷道護(hù)巷煤柱合理寬度研究

雷銀豹，晉智毅

(霍州煤電集團(tuán) 龐龐塔煤礦，山西　臨縣　033200)

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·試驗(yàn)研究·

特厚煤層動壓巷道護(hù)巷煤柱合理寬度研究

雷銀豹，晉智毅

(霍州煤電集團(tuán) 龐龐塔煤礦，山西臨縣033200)

摘要針對某礦9#煤特厚煤層9-704綜放工作面動壓巷道在本工作面回采過程中，出現(xiàn)變形量過大難以控制的問題，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場變形實(shí)測等手段對特厚煤層綜放工作面區(qū)段動壓煤柱應(yīng)力分布和動壓巷道變形進(jìn)行研究。極限平衡法表明在該條件下動壓巷道護(hù)巷煤柱寬度不應(yīng)小于24.5 m.數(shù)值分析表明，煤柱寬度大于26 m時能夠較好地控制煤柱的應(yīng)力及變形，最終確定該動壓巷道護(hù)巷煤柱寬度為26 m.現(xiàn)場實(shí)測表明，動壓巷道變形過大的原因在于護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度過窄。動壓巷道護(hù)巷煤柱寬度的計算必須考慮煤柱沿相鄰工作面采空區(qū)方向及本工作面方向塑性區(qū)的寬度。該研究對類似條件下動壓巷道護(hù)巷煤柱的留設(shè)寬度具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞特厚煤層；綜放開采；動壓巷道；采動變形；煤柱寬度；極限平衡法；數(shù)值模擬；現(xiàn)場變形實(shí)測

回采巷道護(hù)巷煤柱的留設(shè)寬度是采礦工程中一項(xiàng)重要的課題，留設(shè)寬度過大，容易造成資源浪費(fèi)；留設(shè)寬度過小，容易造成巷道失穩(wěn)，進(jìn)而影響安全以及高產(chǎn)高效開采。文獻(xiàn)[1-4]針對特厚煤層綜放開采沿空掘巷煤柱尺寸留設(shè)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果表明，在一般條件下沿空掘巷的護(hù)巷煤柱尺寸在5～10 m能夠保證巷道的穩(wěn)定。但對于特厚煤層，受高強(qiáng)度開采以及采掘接替的影響，造成一類回采巷道與上一工作面“相向”施工，該類巷道受上一工作面及本工作面的采動影響，形成典型的動壓巷道。而現(xiàn)有研究對該類地質(zhì)及特殊施工條件下煤柱留設(shè)寬度較少涉及。某礦特厚煤層動壓巷道在本工作面開采中變形過大，造成長距離的起底、擴(kuò)幫，嚴(yán)重制約工作面高產(chǎn)高效。

本文采用極限平衡理論、離散元數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測，研究動壓巷道煤柱應(yīng)力分布及巷道變形量，最終對該條件下動壓巷道護(hù)巷煤柱寬度進(jìn)行確定。

1工程概況

某礦主采9號煤層，煤層平均厚度11.8 m，采用綜采放頂煤一次采全厚的方法開采，割煤高度為3.2 m，放煤高度為9.6 m，工作面長度185 m，工作面走向長度2 076 m. 9-704工作面位于9#煤七采區(qū)，9-704工作面標(biāo)高在+878～923 m，地面標(biāo)高在+1 273～1 288 m；工作面北部為9-703綜放工作面，南部為雙葉則村保安煤柱，西部為已回采的9-702綜放工作面，東部為未施工的9-706綜放工作面。9-704工作面煤層柱狀圖見圖1.

圖1　9-704工作面煤層柱狀圖

9-7041巷在距9-702工作面回采結(jié)束前400 m時開始掘進(jìn)，即9-7041巷道與9-702工作面相向施工，9-7041巷與9-702工作面之間留設(shè)8 m寬的護(hù)巷煤柱[2]. 本文以下將9-7041巷與9-7042巷分別稱為動、靜壓巷道。

2動、靜壓巷道采動變形對比分析

為對動壓巷道失穩(wěn)原因進(jìn)行分析，通過與本工作面另外1條靜壓巷道9-7042巷在支護(hù)條件、埋深以及距離工作面相同距離設(shè)立測點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測。并對2條巷道在本工作面采動變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，探討動壓巷道在本工作面回采過程中發(fā)生失穩(wěn)的原因。

2.1動、靜壓巷道尺寸及支護(hù)參數(shù)

動壓巷道為矩形斷面，巷道毛寬5.2 m，凈寬5.0 m，巷道毛高3.6 m，凈高3.5 m. 采用錨網(wǎng)+W鋼帶+錨索支護(hù)，頂部選用d22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，幫部選用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨桿間距800 mm、排距800 mm；頂部每3.2 m布置一組d21.8 mm×12.3 m錨索，1組3根。

靜壓巷道為矩形斷面，巷道毛寬4.5 m，凈寬4.3 m，巷道毛高3.4 m，凈高3.3 m. 采用錨網(wǎng)+W鋼帶+錨索支護(hù)，頂部選用d22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，幫部選用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨桿間距800 mm、排距800 mm；頂部每3.2 m布置1組d21.8 mm×12.3 m錨索，1組3根。

2.2動、靜壓巷道在本工作面開采中變形現(xiàn)場實(shí)測

為保證觀測結(jié)果的可對比性，在動壓巷道與靜壓巷道距工作面190～250 m處每隔10 m設(shè)立1個測點(diǎn)，對巷道表面位移進(jìn)行觀測。受觀測條件限制兩巷各測點(diǎn)在距離工作面20 m處停止觀測。兩巷不同測點(diǎn)巷道頂?shù)装謇塾嬜冃瘟恳姳?.

表1　兩巷不同測點(diǎn)巷道頂?shù)装謇塾嬜冃瘟勘?/p>

從表1可以看出，動壓巷道的底鼓量遠(yuǎn)高于靜壓巷道，有的測點(diǎn)甚至高出1個數(shù)量級。動壓巷道頂板下沉量略高于靜壓巷道。

兩巷不同測點(diǎn)巷道兩幫累計變形量見表2.

表 2　兩巷不同測點(diǎn)巷道兩幫累計變形量表

從表2可以看出，動壓巷道的兩幫變形主要來自于煤柱幫，煤柱幫的變形量遠(yuǎn)高于實(shí)體煤幫的變形量。靜壓巷道兩幫的變形量相差不大，與動壓巷道實(shí)體煤幫的變形量相差也不大，而且其絕對值也遠(yuǎn)小于動壓巷道煤柱幫的變形量。

從工程概況中地面標(biāo)高與工作面標(biāo)高可知，動壓巷道各測點(diǎn)的埋深最多比靜壓巷道多出80 m；從兩巷的支護(hù)參數(shù)上來看，兩巷的支護(hù)參數(shù)完全相同。

綜上分析，可以認(rèn)為動壓巷道的大變形主要由煤柱引起，即煤柱留設(shè)寬度過小是其失穩(wěn)的主要原因。

3動壓巷道護(hù)巷煤柱寬度的確定

3.1理論分析

采動后護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱的中部存在一定寬度的彈性核區(qū)，彈性核區(qū)的寬度L根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不應(yīng)小于煤柱高度(煤層開采厚度)2倍[2]。因此，護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的寬度B可按下式計算：

(1)

式中：

R0、R1—分別為采空區(qū)周邊、巷道煤柱的塑性區(qū)寬度,m;

2M—煤柱中部彈性區(qū)寬度，其中M為煤厚,m.

由極限平衡理論，可得煤柱塑性區(qū)寬度計算公式為：

(2)

對該礦動壓巷道護(hù)巷煤柱塑性區(qū)寬度計算所需參數(shù)進(jìn)行賦值，工作面采深H=400 m，煤層等效采高h(yuǎn)=9.65 m，巖層容重γ=2.5 t/m3；煤層與頂?shù)装鍘r層理交界面的黏聚力C0=0.75 MPa，內(nèi)摩擦角取φ0=15°；煤體的黏聚力C=2 MPa，內(nèi)摩擦角φ=28°，單軸抗壓強(qiáng)度σc=8 MPa；屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)λ=0.34，采動應(yīng)力集中系數(shù)K=3.0,采空區(qū)側(cè)煤柱按無支護(hù)計算，即Px=0.靠近巷道側(cè)煤柱高度按巷道高度進(jìn)行計算，煤柱高度取3.5 m.

將上述數(shù)據(jù)代入式(2)進(jìn)行計算，根據(jù)極限平衡理論計算的煤柱內(nèi)靠近采空區(qū)側(cè)煤體的塑性區(qū)寬度R0和煤柱靠近巷道側(cè)煤體的塑性區(qū)寬度R1分別為：

R0=11 mR1=6.5 m.

工作面等效采高M(jìn)取巷道高度3.5 m，將R0、R1與M分別代入公式(1)，得出9-7041巷護(hù)巷煤柱寬度為24.5 m.

3.2數(shù)值模擬

3.2.1數(shù)值計算的模型建立

根據(jù)工作面綜合柱狀圖，采用2D離散元軟件UDEC建立計算模型。根據(jù)煤柱不同寬度建立15 m、17 m、20 m、23 m、26m、29 m、32 m，7個模型，整個模型尺寸寬300 m×高71 m，上邊界載荷按采深400 m計算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，采用摩爾-庫倫模型進(jìn)行計算。煤巖塊體力學(xué)參數(shù)見表3.

表3　塊體力學(xué)參數(shù)表

3.2.2數(shù)值計算結(jié)果及分析

煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布見圖2.

從圖2可以看出：

1) 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律。垂直應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在沿采空區(qū)6～8 m處；垂直應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增加在減??；當(dāng)煤柱寬度小于20 m時，煤柱兩側(cè)支承壓力疊加效應(yīng)明顯；當(dāng)煤柱寬度大于23 m以后，煤柱兩側(cè)支承壓力不再疊加；當(dāng)煤柱寬度超過26 m以后，不論是29 m，還是32 m煤柱都不能再明顯降低煤柱兩側(cè)的支承壓力。

2) 水平應(yīng)力分布規(guī)律。峰值均出現(xiàn)在沿采空區(qū)一側(cè)6～8 m處；水平應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增加在減?。划?dāng)煤柱寬度超過26 m以后煤柱寬度的增加不能再明顯降低兩側(cè)的支承壓力。

所以，從煤柱應(yīng)力分布角度考慮，動壓巷道護(hù)巷煤柱的寬度不應(yīng)小于26 m.

煤柱范圍內(nèi)位移分布見圖3.

從圖3可以看出：

1) 垂直位移沿煤柱分布規(guī)律。隨著煤柱寬度的增加，垂直位移變小；當(dāng)煤柱寬度小于20 m時，垂直位移量以煤柱中心呈對稱分布；當(dāng)煤柱寬度大于23 m時，煤柱沿采空側(cè)位移大于沿巷道側(cè)；當(dāng)煤柱寬度大于26 m時，煤柱沿巷道側(cè)位移遠(yuǎn)小于沿采空區(qū)位移，并且沿巷道側(cè)位移200 mm以下，此時煤柱寬度的增加對煤柱沿巷道側(cè)的位移影響不再明顯。

2) 水平位移沿煤柱分布規(guī)律。正值表示向采空區(qū)方向移動，負(fù)值表示向巷道方向移動，煤柱的0位移點(diǎn)均在煤柱沿巷道側(cè)10 m的位置；隨著煤柱寬度的增加，煤柱沿巷道側(cè)的位移都在減小，煤柱沿采空側(cè)的位移變化不明顯；當(dāng)煤柱寬度增加到26 m以上時，沿巷道側(cè)的位移接近300 mm，而且隨著煤柱寬度的增加，位移幾乎不再減小。

圖3　煤柱范圍內(nèi)位移分布圖

所以，從煤柱變形的角度來看，動壓巷道的護(hù)巷煤柱寬度不應(yīng)小于26 m.

4結(jié)論

1) 通過現(xiàn)場實(shí)測與本工作面另外一條回采巷道在采動期間的累計變形量，對比得出9-704工作面動壓巷道失穩(wěn)的原因?yàn)樽o(hù)巷煤柱尺寸過小。

2) 理論分析表明，靠近9-702工作面采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為11 m，靠近9-704工作面?zhèn)让褐苄詤^(qū)寬度為6.5 m，護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的寬度不應(yīng)小于24.5 m.

3) 數(shù)值模擬分析得出， 當(dāng)煤柱寬度大于26 m時，其寬度的增加對煤柱應(yīng)力及變形減小不再有顯著作用，而且此時煤柱的絕對變形量也不大。所以，認(rèn)為該條件下動壓巷道護(hù)巷煤柱的寬度不應(yīng)小于26 m.

4) 該研究對類似礦區(qū)類動壓巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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Study on Reasonable Coal Pillar Width of Dynamic Pressure Roadway in Ultra Thick Coal Seam

LEI Yinbao, JIN Zhiyi

AbstractLimit equilibrium method shows that pillar width for roadway maintenance in dynamic pressure roadway should't be less than 24.5 m. Numerical analysis shows that it can better control the stress and deformation of coal pillar when the coal pillar width is greater than 26 m. Ultimately determines the pillar width for roadway maintenance in dynamic pressure roadway is 26 m. The field measurement shows that the deformation of dynamic pressure roadway is too large because of the coal pillars width is too narrow. For the similar condition, the width of coal pillar has certain reference significance. The calculation of pillar width for roadway maintenance in dynamic pressure roadway must consider the width of plastic zone along the direction of nearby working face goaf and the working face. The study has a certain reference significance for unexploited coal width for roadway maintenance in dynamic pressure roadway under the similar condition.

Key wordsUltra thick coal seam; Fully mechanized caving mining; Dynamic pressure roadway; Mining deformation; Width of coal pillar; Limit equilibrium method; Numerical simulation; Field deformation measurement

中圖分類號：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)02-0023-04

作者簡介：雷銀豹(1985—)，男，山西大同人， 2007年畢業(yè)于大同大學(xué)，助理工程師，主要從事采掘技術(shù)管理工作(E-mail)ckyblei@163.com

收稿日期：2016-01-08