大采高工作面煤柱留設寬度影響因素研究

陳全秋，孔祥義，鄭金平

(長治三元中能煤業有限公司,山西 長治 046000)

大采高工作面煤柱留設寬度影響因素研究

陳全秋，孔祥義，鄭金平

(長治三元中能煤業有限公司,山西 長治 046000)

以大采高煤柱的留設寬度為研究對象,在回采巷道應力分析的基礎上,對采空區側塑性區寬度,巷道側塑性區寬度與彈性區寬度進行研究,確定了煤柱合理的設計寬度,并找出了影響煤柱留設寬度的因素,為大采高工作面的實際生產設計提供了借鑒。

大采高;應力分析;煤柱寬度;設計研究

近年,國內外學者對煤柱護巷合理尺寸進行了深入的研究[1-4]。由于煤柱的留設受礦區地質條件影響, 因此在不同礦區煤柱的留設寬度不盡相同, 甚至同一礦區不同礦井煤柱留設寬度也各異[5]。隨著大采高采煤工藝的日益成熟,大采高巷道的保護煤柱留設寬度在支護設計中越來越重要,巷道的圍巖結構研究作用進一步突顯,保護煤柱的穩定性直接影響回采巷道的穩定程度,保護煤柱的合理確定不僅能指導礦井開拓、采區布置及巷道參數設計,更重要的是促進礦井的安全生產并帶來一定的經濟利益。目前大采高回采過程中巷道斷面大、側向支承力大、后期維護成本高、難度大,因此確定合理的保護煤柱參數,對現場生產有很好的理論價值和指導意義。

1 采煤巷道保護煤柱的應力狀態分析

通常情況下,保護煤柱的應力狀態主要分三個區域:

1)破碎區:處于煤柱外圍,受壓力作用,煤柱完整性差,缺乏承載能力。

2)塑性區:處于破碎區和支承力峰值的區域之間,煤柱進入塑性變形階段,當圍巖壓力影響下,仍然能保持完整,也具有較強的承載能力。

3)彈性區:處于原始應力區和煤柱支承力峰值過渡區域,煤體可承受壓力較高,整體保持彈性狀態,此區間煤柱有很強的承載能力。

巷道掘進和回采過程中,應力變化均發生在保護煤柱上,根據煤柱留設寬度、地壓及采動影響的不同,保護煤柱的應力分布也存在一定差異。

假設煤柱總寬度為L,巷道側向承載壓力的作用距離為l1,煤柱采空側固定支承力作用距離為l0,當保護煤柱留設寬度足夠大,即L>l0+l1時,煤柱應力如圖1-a所示;當保護煤柱留設寬度逐漸減小,即l0

1-b l0

當保護煤柱留設寬度不合理,致使彈性區域的煤柱承受更大作用力,嚴重影響巷道的成形,對于后期維修工作帶來很大難度,并造成人力和財力的巨大浪費。

2 大采高工作面的煤柱留設寬度確定

從以上分析可以看出煤柱中應力的分布分為三個區,合理的煤柱寬度可以通過以下公式得出:

對于一側采空的護巷煤柱合理寬度B

B=x0+R+L.

式中:x0為靠采空一側塑性區寬度,m;R為靠巷道一側塑性區寬度,m;L為彈性區寬度,m。

2.1 采空區側塑性區寬度的計算

對于長壁回采工作面,殘留區段煤柱為長條型,煤柱長度遠大于其寬度,則單位寬度內煤柱的受力狀態可簡化為平面應變問題進行分析。煤柱彈塑性區應力計算模型見圖2。

在煤柱將達到的極限平衡時,取一寬度為dx的單元體,單元體在平衡狀態的方程式為:

式中:C為煤體的內聚力,MPa;M為煤層開采厚度,m;f為煤層與巖層交接面的摩擦系數;σy為塑性區的垂直應力,MPa;σx為塑性區的水平應力,MPa。

圖2 煤柱彈塑性區應力的分布Fig.2 Elastic-plastic stress distribution of coal pillar

極限平衡條件為

式中：φ為內摩擦角,°。令

計算得工作面采空區側的塑性區寬度x0為[6]:

式中:K0為疊加后的集中應力系數;M為煤層開采厚度,m;γ為煤層上覆巖層平均容重,kN/m3;Φ為煤體的內摩擦角,°;H為煤層埋藏深度,m;f1,f2,f3為關鍵塊回轉產生的不同方向載荷,MPa。

2.2 巷道側塑性區寬度的計算

根據相應的修正系數得巷道塑性區寬度R:

式中:支承壓力p0一般為2～3倍垂直應力,MPa;R0為巷道外接圓半徑,m;c為煤體的粘聚力,MPa;φ為煤體的內摩擦角,°;η為修正系數。

2.3 彈性區寬度的確定[7-8]

1)煤柱彈性區載荷估算。對于傾斜長壁采煤工作面而言,由于回采工作面持續推進,采空區基本頂將跟隨垮落,垮落的矸石漸漸被壓實,上部未冒落巖石的受力情況將發生變化,產生新的平衡狀態,這時兩側煤柱與回采工作面前方煤壁形成較為穩定的支承應力帶,四周的壓力分布見圖3。

圖3 工作面周圍支承壓力分布示意圖Fig.3 Abutment pressure distribution on working face

煤柱主要承載部分為彈性區域,為估算方便,對應力分步進行簡化,架設巷道側壓力峰值為K2γH(即彈性區域),采空區側的支承壓力峰值為K0γH。兩者關系呈現線性變化遞減或遞增,應力分布見圖4。

圖4 煤柱載荷計算簡圖Fig.4 Coal pillar load diagram

則煤柱彈性區載荷Q為:

式中：k0、k2為疊加后的集中應力系數;γ為煤層上覆巖層平均容重,kN/m3;H為煤層埋藏深度,m;l為煤柱留設寬度,m。

2)彈性區域內的臨界寬度確定

由于煤柱長度遠遠大于彈性區的高度和寬度,可以將煤柱在該區域的平衡問題簡化為平面應變的問題,應力分布如圖5所示:

圖5 彈性區煤柱受力圖Fig.5 The elastic zone by trying to coal pillar

圖中Q為煤柱彈性區均布載荷即為(k0+k2)γh/2,σ1為采空區側極限平衡區與彈性區間的水平應力,σ2為巷道側極限平衡區與彈性區間的水平應力。

通過計算可得到煤柱彈性區寬度L為:

其中:

式中:C為煤體的粘聚力,MPa;φ為煤體的內摩擦角,°;M為煤柱高度,m;H為煤層埋藏深度,m;K0、k1、k2為疊加后集中應力系數;σ為塑性區的垂直應力,MPa;q為均布載荷,MPa。

3 工作面大采高護巷煤柱設計

3.1 工作面概況

三元中能煤業2301工作面所采煤層為3號煤,賦存于下二疊系山西組地層,為陸相湖泊沉積,屬半亮-光亮型煤,中等強度煤層,煤層完整性較好,煤層結構簡單,具有一定的自穩性。大采高工作面采高為5.5 m,兩順槽高度為4.5 m,煤層埋藏深度為440 m,軸向受壓強度為10 MPa,工作面上覆巖層垮落角度為30°,由于現場煤層中節理發育,煤柱粘聚力為1.5 MPa,φ取24.3°,巷道側向壓力系數A取0.54,由于實驗位置的煤體裂隙和煤柱寬度較小,應力系數確定為4,巖層的平均容重為0.025 kN/m3,巷道的支護助力為0,工作面采用傾斜長壁一次采全高,全部垮落法管理頂板。

3.2 留設較寬煤柱的寬度確定

假設預留較寬煤柱,則圖6為常用模型,留設煤柱的載荷由上覆巖層自重和采空區未冒落的巖層分布到煤柱上的部分重量組成。

如果煤柱兩側均為采空區,巖層垮落高度為h,采空區寬度為L,回采高度為H,滿足H>L·ctgδ/2時,那么留設煤柱的全部載荷P為:

γ.

式中:P為總載荷,MPa;B為煤柱留設寬度m;δ為上覆巖層的垮落角,°;γ為巖層的平均容重,kN/m3;L為彈性區寬度,m;H為煤層埋藏深度,m。

當留設煤柱總載荷確定后,就可以確定煤柱在單位面積的載荷,進而計算平均應力σ為:

由上式可知煤柱在回采過程中煤柱兩側處于采空區時,只要σ≤σmax時,視為煤柱留設符合安全條件,下面公式成立:

根據Obert-Duvall公式煤柱強度:

式中:σc為煤塊單軸抗壓強度,MPa;h為煤柱平均高度,m。

由以上得:

根據三元中能煤業2301作面的實際情況,確定B≥26.8 m,即留設較寬煤柱不小于26.8 m。

6-b 載何計算圖

3.3 留設小煤柱的寬度確定

假設煤體一側的彈性區域與鉛直應力的關系如圖7所示,當采空區邊緣空間增加時,鉛直應力將按負指數關系變化;在高應力作用下,煤體將依次呈現為塑性區、彈性區和原始應力區。由圖7所示,煤體的承載能力將隨著煤體邊緣空間距離變化發生明顯變化,當空間距離達到一定寬度時,煤體的支承應力將與承載能力達到極限平衡,根據巖石力學中的巖體極限平衡理論可知,煤體在塑性區域的寬度X0為:

式中:M為回采高度,m;u為泊松比；A為側壓系數；K為應力集中系數;φ0為煤體的內摩擦角,°;γ為巖層的平均容重,kN/m3;C0為內聚力,MPa;H為煤層埋藏深度,m;P2為巷道的支護阻力,MPa。

1-彈性應力分布;2-彈塑形應力分布Ⅰ-破裂區;Ⅱ-塑性區;Ⅲ-彈性區應力升高部分;Ⅳ-原始應力區圖7 煤體的彈塑性變形區及鉛直應力分布Fig.7 The Elastic-plastic deformation zone and vertical stress distribution of coal mass

根據三元中能煤業2301工作面的實際情況,代入公式得x1=14.3 m,即支承壓力峰值處于煤體邊緣的距離為14.3m,但是在小煤柱留設中,盡可能將煤柱留設在應力降低區域范圍內,使其滿足B≤2X0/3,可以得出留設煤柱的最小寬度為9.57 m。

4 結論

通過以上分析可知,合理煤柱寬度應為B=X0+R+L,其中影響X0的因素較多,主要包括工作面采高、采空區側和巷道側的支承應力,巖層與煤層交接面摩察系數,以及煤體的內聚力和內摩擦角。

1)煤層開采厚度與煤柱留設寬度成正比關系,其中采高越大,煤柱留設寬度越小。

2)巷道側的支承應力越大,煤體的彈性區域范圍越小,煤柱留設寬度越小。

3)采空區側疊加支承力越大,采空側塑性變形區域越大,煤柱留設寬度越大。

4)上覆巖層與煤體交接面的摩擦系數與煤柱留設寬度成一定的反比關系,摩擦角越小,煤柱留設寬度越大。

5)當其他的條件一定時,煤體的內聚力和內摩擦角越大,煤體強度越大,煤柱留設寬度越小;反之,越大。

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(編輯：樊 敏 )

InfluencingFactorsofCoalPillarWidthinLarge-mining-heightWorkingFace

CHENQuanqiu,KONGXiangyi,ZHENGJinping

(SanyuanCoalIndustryCo.,Ltd.,Changzhi046000,China)

Taking the coal pillar width in large-mining-height working face as the research object, based on the stress analysis of mining roadways, the width of plastic zone of goaf and plastic-elastic zone of roadways are studied to determine reasonable width of coal pillar. Besides, the influence factors of the width are proposed, which is of significance to guide the production in the large-mining-height mines.

large-mining-height；stress analysis；width of coal pillar；design research

TD822.3

A

1672-5050(2017)01-0009-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.003

2016-07-27

陳全秋(1983-)，男，陜西漢中人，碩士研究生，工程師，從事煤礦安全管理工作。