長壁綜采工作面巷道煤柱合理尺寸的確定

宋 軍

（晉城煤業(yè)集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司,山西晉城 048007）

長壁綜采工作面巷道煤柱合理尺寸的確定

宋 軍

（晉城煤業(yè)集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司,山西晉城 048007）

針對(duì)岳城煤礦 3號(hào)煤層具體地質(zhì)力學(xué)特征,運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)綜采工作面巷道煤柱合理尺寸的確定問題進(jìn)行了探討,提出了煤柱尺寸的確定原則和方法,并給出了不同強(qiáng)度條件下煤柱合理寬度。

巷道煤柱;合理尺寸;有效面積;有效強(qiáng)度

Rational Coal Pillar Size of Long-wall Full-mechanized Mining Face

煤柱尺寸的確定是巷道圍巖穩(wěn)定性控制以及巖層移動(dòng)控制的關(guān)鍵之一,也是巖體力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)難題之一。目前在此領(lǐng)域已有許多研究成果和相關(guān)理論,如有效面積理論、壓力拱理論、強(qiáng)度理論等,這些理論和成果對(duì)合理確定煤柱尺寸具有一定的指導(dǎo)意義,但不能完全照搬,解決實(shí)際工程問題時(shí)還須根據(jù)具體地質(zhì)力學(xué)條件提出具有針對(duì)性的計(jì)算方法。

根據(jù)岳城煤礦地質(zhì)力學(xué)條件,煤柱尺寸的確定方法應(yīng)該將有效面積理論和有效強(qiáng)度理論相結(jié)合。

1 煤柱載荷的確定原理

巷道煤柱在服務(wù)期間要受到長壁綜采工作面開采的影響,綜合考慮長壁綜采工作面開采造成的圍巖結(jié)構(gòu)變化特征,巷道間煤柱所承擔(dān)的載荷大于相對(duì)應(yīng)區(qū)域 （煤柱本身和巷道所對(duì)應(yīng)的面積）上覆巖體的重量,而且,載荷大小及分布還隨著煤柱與工作面的相對(duì)位置的不同、開采階段的不同等因素而變化。

本文借助數(shù)值模擬方法對(duì)巷道煤柱受力狀況進(jìn)行研究。

2 煤柱有效承載面積和有效強(qiáng)度的確定原理

煤柱有效強(qiáng)度應(yīng)結(jié)合其實(shí)際應(yīng)力狀態(tài),參考庫侖莫爾強(qiáng)度理論進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)煤柱支撐壓力分布特征與強(qiáng)度之間相對(duì)大小關(guān)系計(jì)算出支撐壓力小于煤柱強(qiáng)度的區(qū)域面積,即為煤柱的有效承載面積。

運(yùn)用三維極限平衡理論,根據(jù)煤柱應(yīng)力分布狀態(tài),采用面積積分的方法確定煤柱有效支撐強(qiáng)度。

3 煤層及頂?shù)装宓刭|(zhì)力學(xué)條件

岳城煤礦 3號(hào)煤層位于山西組下部,埋藏深度約 470m,上距 K8砂巖 27.76～46.75m,下距 K7砂巖0～6.5m（平均2.1m）。煤層結(jié)構(gòu)較簡單,賦存穩(wěn)定,厚度 5.04～7.16m,平均 6.11m,一般含炭質(zhì)泥巖和泥巖夾石 1～2層,夾石厚約 0.1～0.3m,純煤厚度 4.81～6.98m。

頂板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成,局部為細(xì)、中砂巖。底板主要由泥巖、粉砂巖組成,局部為細(xì)砂巖 （如表 1、表 2所示）。

表1 3號(hào)煤層及頂?shù)装鍘r層分布

4 數(shù)值模擬分析

為了掌握巷道圍巖支承壓力分布規(guī)律,了解煤柱力學(xué)特征,確定煤柱支承性能,分別對(duì) 30m煤柱和 35m煤柱在單側(cè)開采狀況下的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。并按照上述方法對(duì)具有不同單軸抗壓強(qiáng)度的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表2 煤層及頂?shù)装鍘r層主要力學(xué)參數(shù)

4.1 30m煤柱計(jì)算分析

30m煤柱數(shù)值模擬計(jì)算如圖 1、圖 2所示。

圖1 圍巖應(yīng)力分布等值線

圖2 煤柱支承壓力分布曲線

在圍巖應(yīng)力分布等值線圖 1中,X方向?yàn)槊褐鶎挾确较?Y方向?yàn)閹r層深度方向,Z方向?yàn)橄锏雷呦蚍较?圖中不同顏色代表不同大小的應(yīng)力值,單位為 Pa。圖 2顯示了與工作面不同距離時(shí),煤柱內(nèi)部應(yīng)力的變化情況,橫軸為煤柱與工作面的距離大小,單位為 m;縱軸為煤柱內(nèi)部應(yīng)力值大小,單位為Pa。

數(shù)值模擬分析結(jié)果表明,煤柱單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到 20MPa時(shí),30m寬的煤柱可以達(dá)到綜采巷道穩(wěn)定性控制的要求。

單側(cè)采空時(shí)煤柱理論支撐壓力介于 24～59MPa,平均約 31MPa,低于 25MPa的區(qū)域?qū)挾燃s10m,高于 45MPa的區(qū)域?qū)挾燃s 3m。煤柱總載荷約為:

據(jù)此計(jì)算,一側(cè)采空時(shí),具有不同單軸抗壓強(qiáng)度的煤柱整體承載能力及其穩(wěn)定性狀況分析如下:

（1）煤柱單軸抗壓強(qiáng)度按 15MPa計(jì)算,則其承載能力約為:

承載能力 P<煤柱載荷 Q,所以,單側(cè)采空時(shí),若單軸抗壓強(qiáng)度在 15MPa以下時(shí),30m煤柱將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）煤柱單軸抗壓強(qiáng)度按 17.5MPa計(jì)算,則其承載能力約為:

承載能力 P=煤柱載荷Q,安全系數(shù)約為 1.0。

（3）煤柱單軸抗壓強(qiáng)度按 20MPa計(jì)算,則其承載能力約為:

承載能力 P>煤柱載荷 Q,安全系數(shù)約為1.07。

（4）煤柱單軸抗壓強(qiáng)度按 22MPa計(jì)算,則其承載能力約為:

承載能力 P>煤柱載荷 Q,安全系數(shù)約為1.13。

（5）煤柱單軸抗壓強(qiáng)度按 24MPa計(jì)算,則其承載能力約為:

承載能力 P>煤柱載荷 Q,安全系數(shù)約為1.20。

（6）煤柱單軸抗壓強(qiáng)度按 26MPa計(jì)算,則其承載能力約為:

承載能力 P>煤柱載荷 Q,安全系數(shù)約為1.27。

表3列出了單側(cè)開采時(shí),30m煤柱不同單軸抗壓強(qiáng)度與安全系數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 30m煤柱單軸抗壓強(qiáng)度與安全系數(shù)對(duì)照

4.2 35m煤柱計(jì)算分析

35m煤柱數(shù)值模擬計(jì)算分析過程與 30m煤柱分析過程相同,結(jié)果見表 4。

表4 35m煤柱單軸抗壓強(qiáng)度與安全系數(shù)對(duì)照

表3、表 4所示結(jié)果表明,煤柱單軸抗壓強(qiáng)度介于 15～20MPa時(shí),煤柱寬度應(yīng)確定為 35m。

5 結(jié)論

通過綜合分析,岳城煤礦綜采工作面巷道煤柱的合理寬度確定為:煤柱單軸抗壓強(qiáng)度為 15～20MPa的區(qū)域,煤柱寬度確定為 35m,煤柱單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到 20MPa以上的區(qū)域,煤柱寬度確定為30m。

[1]楊雙鎖 .回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[2]楊雙鎖,錢鳴高,康立勛,等 .巷道圍巖控制中的波動(dòng)性平衡理論 [J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,32（4）.339-343.

[3]侯朝炯,郭勵(lì)生,勾攀峰,等 .煤巷錨桿支護(hù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[4]陳炎光,陸士良,侯朝炯,等 .中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[5]楊雙鎖,康立勛 .錨桿支護(hù)研究的總結(jié)與展望 [J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33（4）:376～381.

TD 355.41

B

1006-6225（2010）02-0050-02

2009-06-18

宋 軍 （1969-）,男,山西平順人,工程師,現(xiàn)任山西晉煤集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司總工程師。

[責(zé)任編輯:林 健]