采區(qū)綜放工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度研究與設(shè)計(jì)

張崇禮，毛金峰，楊小龍，任智明

(新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，烏魯木齊 830000)

區(qū)段煤柱的留設(shè)是為了隔離采空區(qū)并維護(hù)回采巷道。煤柱的留設(shè)寬度直接影響回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)影響采區(qū)的煤炭采出率。合理的區(qū)段煤柱尺寸是所有礦井面臨的重要技術(shù)問(wèn)題[1-3]。近年來(lái)，綜放開(kāi)采已成為我國(guó)厚煤層開(kāi)采的重要發(fā)展方向[4]。綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度的確定對(duì)提高煤炭采出率和實(shí)現(xiàn)巷道穩(wěn)定安全生產(chǎn)起著關(guān)鍵作用[5]。許多學(xué)者對(duì)區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸做了大量研究，結(jié)果表明，區(qū)段煤柱的留設(shè)應(yīng)考慮煤柱內(nèi)應(yīng)力分布、煤柱強(qiáng)度、作用于煤柱的載荷和煤柱與頂?shù)装宓南嗷プ饔藐P(guān)系等因素。留設(shè)合理寬度的區(qū)段煤柱一直是煤炭科技工作者的重要研究課題[4-8]。

1 工程概況

研究礦井瓦斯等級(jí)鑒定為瓦斯礦井，未發(fā)生過(guò)煤與瓦斯突出，煤塵具有爆炸性，煤層有自燃傾向性，自燃發(fā)火期3～6個(gè)月。該礦井526采區(qū)為新開(kāi)拓采區(qū)，埋深平均為280 m。采區(qū)布置有526采區(qū)運(yùn)輸巷、526采區(qū)軌道巷和526采區(qū)回風(fēng)巷等3條采區(qū)巷道。526采區(qū)軌道巷位于52601綜采工作面運(yùn)輸巷北側(cè)，早期該巷服務(wù)于52603、52604、52605、52606工作面的回采，后期該巷將作為52607綜采工作面的軌道巷使用。526采區(qū)運(yùn)輸巷和526采區(qū)回風(fēng)巷均位于52607綜采工作面北側(cè)526采區(qū)邊界處，兩巷道之間留設(shè)煤柱，其中526采區(qū)回風(fēng)巷后期將作為52607綜采工作面的運(yùn)輸巷使用。巷道布置平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 526采區(qū)巷道布置平面圖Fig.1 Plan of roadway layout of the 526 mining area

526采區(qū)巷道主要服務(wù)5#煤層。5#煤層厚7.14～18.45 m，平均為13.93 m，上距2#煤層平均為58.57 m，下距6#煤層平均為1.6 7m，是主采煤層。5#煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含夾矸0～4層。其直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚0～9.50 m，平均厚度4.53 m，中硬巖石，屬較穩(wěn)定性頂板。老頂為中細(xì)粒、中粗粒砂巖，主要成分以石英為主，厚2.77～17.61 m，平均厚度9.96 m，堅(jiān)硬巖石，屬穩(wěn)定性頂板。頂板巖石物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

2 526區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)理論研究

該礦井采用的是綜采放頂煤開(kāi)采工藝，長(zhǎng)期以來(lái)區(qū)段煤柱寬度留設(shè)為30 m。新開(kāi)拓的接替采區(qū)526采區(qū)設(shè)計(jì)服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，沿空掘巷圍巖破碎，為提高煤炭采出率，減少資源浪費(fèi)，擬采用留煤柱的方法，需留設(shè)的區(qū)段煤柱一位于526采區(qū)軌道巷和52601綜采工作面之間，區(qū)段煤柱二位于526采區(qū)回風(fēng)巷和526采區(qū)運(yùn)輸巷之間。其中，526采區(qū)軌道巷和52601綜采工作面之間的區(qū)段煤柱，在整個(gè)服務(wù)期限內(nèi)將受到相鄰52601和52607兩個(gè)工作面回采帶來(lái)的兩次動(dòng)壓影響，是該煤柱尺寸確定較為重要的影響因素。

3 526采區(qū)區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)計(jì)算與確定

為確定526軌道巷區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布和變形破壞特征，研究其穩(wěn)定性，在計(jì)算分析過(guò)程中必須使用準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，對(duì)526采區(qū)的地質(zhì)資料進(jìn)行勘測(cè)與收集，歸納分析所采5#煤層賦存狀態(tài)、地質(zhì)條件并進(jìn)行煤巖體物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，為煤柱合理寬度的理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。綜放工作面區(qū)段煤柱留設(shè)理論公式的推導(dǎo)為區(qū)段煤柱的留設(shè)提供了理論依據(jù)。

綜合考慮52607工作面回采時(shí)動(dòng)壓影響，根據(jù)礦壓觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，確定526采區(qū)軌道巷煤柱留設(shè)尺寸為25 m。綜合考慮526采區(qū)運(yùn)輸巷和526采區(qū)回風(fēng)巷區(qū)段煤柱僅受一次動(dòng)壓影響，且后期該煤柱也將作為52607工作面的一部分進(jìn)行回采，不會(huì)因煤柱尺寸造成額外的資源浪費(fèi)，為增大安全系數(shù)，確定煤柱尺寸也留設(shè)25 m。

4 結(jié)論

526采區(qū)軌道巷和52601綜采工作面之間的區(qū)段煤柱，在整個(gè)服務(wù)期限內(nèi)將受兩次動(dòng)壓影響。526采區(qū)運(yùn)輸巷和526采區(qū)回風(fēng)巷區(qū)段煤柱僅受一次動(dòng)壓影響。

用區(qū)段煤柱寬度表達(dá)式確定區(qū)段煤柱尺寸時(shí)，既要考慮回采支承壓力集中系數(shù)K對(duì)煤柱寬度及穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響，還應(yīng)考慮掘進(jìn)影響因子δ和回采擾動(dòng)因子d。

經(jīng)理論計(jì)算表明，煤柱寬度為 24.78 m，綜合以上研究，確定526采區(qū)區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為25 m。