大采高工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸研究

武海平

（晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山西 晉中 030600)

1672-5050（2017)05-0032-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.10.008

2017-08-02

武海平（1964-),男,山西壽陽(yáng)人,本科,工程師,從事井工煤礦采礦專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

大采高工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸研究

武海平

（晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,山西 晉中 030600)

以某礦3046工作面留設(shè)區(qū)段窄煤柱為工程背景,采用極限平衡理論、數(shù)值模擬、工程實(shí)踐三種方法分析沿空掘巷窄煤柱合理尺寸。通過極限平衡理論計(jì)算得到沿空掘巷窄煤柱寬度為4.83 m～5.64 m。通過FLAC3D分析不同煤柱寬度情況下煤柱應(yīng)力分布和巷道圍巖位移分布規(guī)律,綜合考慮煤柱垂直應(yīng)力和圍巖應(yīng)力模擬結(jié)果得到沿空掘巷窄煤柱寬度為5 m～6 m。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),表明該煤礦柱在錨梁網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)情況下,頂?shù)装逡平繛?0 mm、兩幫移近量為65 mm,合理煤柱寬度為5 m左右。

沿空掘巷;窄煤柱;煤柱寬度;數(shù)值模擬

沿空掘巷屬于回采巷道布置的一種方式[1],可節(jié)約煤炭資源。近年來國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)沿空掘巷窄煤柱留設(shè)進(jìn)行深入研究[2-3]。柏建彪等[4]通過數(shù)值模擬研究了沿空掘巷窄煤柱的穩(wěn)定性,張科學(xué)[5]對(duì)“雙U”回采巷道布置中的大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱留設(shè)進(jìn)行了研究。李學(xué)華[6]對(duì)沿空掘巷煤柱穩(wěn)定性因素進(jìn)行了分析。筆者以某礦3406大采高工作面為工程背景,通過理論分析、數(shù)值模擬、工程實(shí)踐研究沿空掘巷窄煤柱合理尺寸。

1 工程地質(zhì)概況

某礦3046大采高工作面埋深約200 m,煤層厚度為4.6 m～5.3 m,平均煤厚為5 m。煤層傾角為3°～6°,平均傾角為4.5°。5#煤頂板自下而上依次為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖,底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主。

2 煤柱理論分析

沿空掘巷窄煤柱寬度B計(jì)算示意圖見圖1,計(jì)算公式為:

B=X1+X2+X3.

（1)

（2)

X3=（0.15～0.35)（X1+X2).

（3)

式中:B為小煤柱寬度,m;X1為上區(qū)段工作面塑性區(qū)寬度,m;X2為幫錨桿有效長(zhǎng)度,取2.2 m;X3為因煤層厚度較大需增大的煤柱穩(wěn)定性系數(shù);m為煤層采厚,5 m;A為側(cè)壓系數(shù),取0.25;φ0為煤體內(nèi)摩擦角,20°;k為應(yīng)力集中系數(shù),取2;C0為煤體內(nèi)聚力,取1.5 MPa;γ為上覆巖層平均容重,取25 kN/m3;P0為錨桿對(duì)巷幫的支護(hù)阻力,0.3 MPa。

根據(jù)三元煤業(yè)實(shí)際參數(shù)帶入上述公式,計(jì)算得到三元煤業(yè)沿空掘巷煤柱寬度為4.83 m～5.64 m。

3 數(shù)值模擬

3.1模型的建立

該模擬3號(hào)煤層埋深為200 m左右,3046工作面回風(fēng)巷道中心線為Y方向,取200 m;傾向?yàn)閄方向,取150 m。模型水平和垂直方向限制,固定底部,上浮巖層均勻加載豎向載荷5 MPa,工作面采空區(qū)自行垮落。其巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

3.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

回采時(shí)煤柱寬度在3 m、4 m、5 m、6 m、7 m五種情況下,煤柱最大垂直應(yīng)力分別為32 MPa、18 MPa、16 MPa、18 MPa、24 MPa。當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí),煤柱其他位置垂直應(yīng)力在8 MPa左右,應(yīng)力值較小;留設(shè)其他煤柱寬度時(shí),其他區(qū)域應(yīng)力偏大。

從留設(shè)不同煤柱寬度情況下煤柱的垂直應(yīng)力可知,從煤柱側(cè)向應(yīng)力曲線最大垂直應(yīng)力先增大后減小再增大經(jīng)驗(yàn)規(guī)律可知,留設(shè)1 m～3 m煤柱時(shí),煤柱最大垂直應(yīng)力在增大,留設(shè)4 m～6 m時(shí)煤柱最大垂直應(yīng)力先增大后減小,留設(shè)6 m～7 m煤柱時(shí)煤柱垂直應(yīng)力增大,說明煤柱增大到5 m左右時(shí),煤柱最大垂直應(yīng)力處于最小值。

不同煤柱寬度下巷道圍巖位移分布圖,見圖1。

圖1 不同煤柱寬度下巷道圍巖位移分布圖Fig.1 Displacement distributions of surrounding rocks at different width of coal pillars

由圖1可知,留設(shè)3 m、4 m、5 m、6 m、7 m煤柱時(shí),頂板下沉量分別為330 mm、360 mm、200 mm、195 mm、190 mm;回風(fēng)巷道外幫最大水平位移分別為500 mm、500 mm、350 mm、350 mm、450 mm。

從回采時(shí)不同留設(shè)煤柱寬度的煤柱的垂直應(yīng)力、巷道圍巖位移模擬圖分析來看,留設(shè)3m、4 m煤柱時(shí),垂直應(yīng)力較大,垂直位移和水平位移較大;留設(shè)5 m、6 m垂直應(yīng)力較小,巷道變形量較小;留設(shè)7 m煤柱垂直應(yīng)力較大,水平位移較大。綜上所述留設(shè)窄煤柱在5 m～6 m,考慮到增大煤炭回采率,留設(shè)窄煤柱寬度為5 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案:

1) 頂板支護(hù)：①左旋無縱筋螺紋鋼筋參數(shù)：Φ22 mm×2 200 mm，間排距900 mm×1 000 mm，頂板幫角處錨桿與垂直方向呈10°。②鋼筋托梁：Φ14 mm，長(zhǎng)4 700 mm，寬90 mm，間距100 mm。③錨索：Φ=28 mm，L=5 000 mm，間排距2 000 mm×2 000 mm，距兩幫各1 500 mm。

2) 兩幫支護(hù):左旋無縱筋螺紋鋼筋參數(shù):Φ22 mm×2 200 mm,間排距1 000 mm×1 000 mm,靠近頂板、底板的錨桿與水平方向呈10°。②鋼筋托梁：Φ14 mm，長(zhǎng)3 300 mm，寬90 mm。

支護(hù)后回風(fēng)巷道圍巖變形圖,見圖2。

回風(fēng)巷道在掘進(jìn)10 d～20 d后變形加速,30 d后巷道變形趨于穩(wěn)定,50 d后巷道變形速度僅為0.4 mm/d。說明在采用留設(shè)5 m小煤柱在錨梁網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)下,巷道變形量得到有效控制。

2-a 回風(fēng)巷道頂?shù)撞课灰屏?/p>

2-b 回風(fēng)巷道頂?shù)装逑鄬?duì)位移速度

2-c 回風(fēng)巷道兩幫位移量圖2 回風(fēng)巷道圍巖變形圖Fig.2 Surrounding rock deformation in air-return roadway

5 結(jié)束語

根據(jù)極限平衡理論、數(shù)值模擬、工程實(shí)踐方法綜合確定該礦沿空掘巷窄煤柱留設(shè)為5 m,在錨梁網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)下,留設(shè)5 m煤柱穩(wěn)定性好,巷道變形量得到有效控制。

[1] 杜計(jì)平,孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

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LI Xuehua,JU Minghe,JIA Shangkun,etal.Study of Influential Factors on the Stability of Narrow Coal Pillar in Gob-side Entry Driving and its Engineering Application[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2016,33（5):761-769.

ReasonableSizeofNarrowCoalPillarsinGob-sideEntryDrivinginLarge-mining-heightWorkingFace

WUHaiping

（JinzhongCoalInstituteofPlanning&Design,Jinzhong030600,China)

Taking narrow coal pillars in 3406 working face as engineering background, limit equilibrium theories, numerical simulation, and engineering practice are used to study the reasonable size of the narrow pillars. According to the limit equilibrium theory, the width of the coal pillars ranges from 4.83m to 5.64m. Stress distribution of the pillars and displacement distribution of the surrounding rocks are studied by FLAC3Dat the different width. Considering the simulation results of the vertical stress of the pillars and the stress of the surrounding rocks, the width of the pillars ranges from 5 to 6m. However, the engineering practice shows that, under the combined support of roof bolting with bar and wire mesh and anchor cables, the reasonable size of coal pillars is around 5 m, with 60mm roof-floor deformation and 65mm two-side deformation.

gob-side entry driving; narrow coal pillars; width of coal pillar; numerical simulation

TD822.3

A

（編輯:楊 鵬)