極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱寬度的探討

宋成標(biāo)

(新光集團(tuán)劉東煤礦,安徽省淮北市,235000)

極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱寬度的探討

宋成標(biāo)

(新光集團(tuán)劉東煤礦,安徽省淮北市,235000)

運(yùn)用理論計(jì)算和FLAC數(shù)值模擬的方法,對(duì)極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱寬度進(jìn)行了分析,根據(jù)采煤工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式,得出護(hù)巷煤柱的寬度必須大于14 m才能避免側(cè)向支承壓力峰值的影響的結(jié)論。由數(shù)值模擬得出,掘進(jìn)對(duì)煤柱的應(yīng)力分布影響相對(duì)較小,而采動(dòng)對(duì)煤柱的應(yīng)力分布影響較大。不同埋深的煤柱應(yīng)力分布大小不同,埋藏越深煤柱應(yīng)力越大;采掘?qū)Σ煌瑢挾让褐膽?yīng)力分布影響不同,煤柱越小,應(yīng)力集中越大,煤柱越不穩(wěn)定;而煤柱越大,應(yīng)力疊加越不明顯,煤柱越穩(wěn)定。綜合考慮各種因素,劉東煤礦西三采區(qū)護(hù)巷煤柱的寬度確定為15 m。

極近距離不穩(wěn)定煤層 聯(lián)合開采 護(hù)巷煤柱 理論分析 數(shù)值模擬

在近距離煤層聯(lián)合開采的情況下,無論是采場(chǎng)還是巷道,其礦壓顯現(xiàn)時(shí)空關(guān)系非常復(fù)雜。巷道受動(dòng)壓的影響比較大,尤其是布置在煤層中的回采巷道,變形量大,維護(hù)困難,一定程度上影響了礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。不管回采巷道采用外錯(cuò)式或者內(nèi)錯(cuò)式布置,最主要的參數(shù)是確定護(hù)巷煤柱寬度,它是極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采巷道布置成功與否的關(guān)鍵。

本文通過數(shù)值模擬方法,確定了極近距離不穩(wěn)定煤層護(hù)巷煤柱的寬度。該方法主要考慮下方煤層巷道變形與相關(guān)影響因素的關(guān)系,進(jìn)而確定極近距離不穩(wěn)定煤層回采巷道的時(shí)空關(guān)系。

1 井田地質(zhì)概況

劉東煤礦擬對(duì)西三采區(qū)的71煤層、72煤層進(jìn)行開采,71煤層和72煤層間距為3 m。71煤層賦存不穩(wěn)定,厚度為1.36～1.88 m,平均厚度1.4 m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且中部有一變薄帶僅為0.7 m左右;72煤層賦存穩(wěn)定,全區(qū)可采,厚度為1.72～4.39 m,平均厚度為2.5 m左右。

2 護(hù)巷煤柱寬度的確定

護(hù)巷煤柱的寬度是影響煤柱穩(wěn)定性和巷道維護(hù)的主要因素。煤柱的寬度不僅決定了巷道與回采空間的相對(duì)位置關(guān)系,而且影響到下方煤層巷道的穩(wěn)定性。

2.1 合理確定煤柱寬度的原則

確定合理的護(hù)巷煤柱寬度應(yīng)遵循以下原則。

(1)相對(duì)有利的應(yīng)力環(huán)境。在時(shí)空上盡量避開采掘活動(dòng)的影響,最好將巷道布置在煤層開采后形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

圖1 底板巖層應(yīng)力分布區(qū)域

(2)保證錨桿具有良好錨固性能。上方極近煤層開采,對(duì)底板巖層形成破壞,產(chǎn)生拉伸破裂區(qū)與剪切滑移區(qū),如圖1所示。如煤柱過窄,下方煤層巷道的頂板將處于破碎煤體內(nèi),不能有效錨固錨桿。因此,應(yīng)選擇性質(zhì)較好的圍巖,保證錨桿具有較高的錨固力,真正發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用。

(3)控制巷道圍巖變形。將圍巖的變形量控制在能滿足生產(chǎn)過程中對(duì)斷面的使用要求之內(nèi)。

(4)保證煤柱穩(wěn)定和高回采率。煤柱護(hù)巷必須保證巷道使用期內(nèi)的穩(wěn)定性。當(dāng)護(hù)巷煤柱滿足要求時(shí),煤柱的寬度應(yīng)盡可能小,提高煤炭的采出率。

根據(jù)以上原則,結(jié)合71、72煤層及工作面的開采技術(shù)條件,通過數(shù)值模擬確定37202運(yùn)輸巷合理護(hù)巷煤柱寬度L1和37202回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱寬度L2。

2.2 煤柱寬度的數(shù)值模擬

2.2.1 模型的建立及參數(shù)的選取

采用FLAC數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析,根據(jù)地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)兩層煤工作面的實(shí)際布置關(guān)系,取工作面傾斜剖面為現(xiàn)場(chǎng)模型,建立數(shù)值模型,整個(gè)模型尺寸(寬×高)200 m×172 m,模型上部邊界施加壓力使其等同于上覆巖層的重量,底邊界垂直方向固定,左右邊界水平方向固定。

模型上部邊界垂直深度200 m、巖石容重25 kN/m3,上部應(yīng)力5.0 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料及我國煤礦原始應(yīng)力場(chǎng)分布的一般規(guī)律,取側(cè)壓系數(shù)1.2,采用平面應(yīng)變模型。37202工作面距左、右側(cè)邊界均為40 m。整個(gè)模型由多種巖層構(gòu)成。其巖層及節(jié)理的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型各巖層力學(xué)參數(shù)

2.2.2 數(shù)值模擬內(nèi)容

以71煤層和72煤層工作面現(xiàn)場(chǎng)情況為基礎(chǔ),合理確定37102運(yùn)輸巷與37202運(yùn)輸巷之間煤柱水平寬度L1大小,以及37102回風(fēng)巷與37202回風(fēng)巷之間煤柱水平寬度L2大小,為此,在保持其它參數(shù)不變的情況下,改變L1和L2的大小(5 m、10 m、15 m、20 m和25 m等),模擬不同煤柱寬度在巷道掘進(jìn)和采面回采期間的應(yīng)力分布和對(duì)巷道圍巖變形的影響,從而得出合理的護(hù)巷煤柱寬度。

2.2.3 護(hù)巷煤柱內(nèi)應(yīng)力分布

在數(shù)值計(jì)算的過程中取位于煤柱高度一半的中部層位研究護(hù)巷煤柱在上煤層巷道掘進(jìn)期間及工作面回采期間的煤柱垂直應(yīng)力分布情況與煤柱寬度的關(guān)系,在37102回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間及37102工作面回采期間,37202回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷護(hù)巷煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布見圖2和圖3。

由圖2可以看出,在37102運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間及37102工作面回采期間,37202運(yùn)輸巷護(hù)巷煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布具有以下特征。

(1)在巷道掘進(jìn)期間,應(yīng)力分布隨煤柱寬度的增大變得相對(duì)緩和,最大應(yīng)力峰值為9.9 MPa,分布在5 m煤柱上,呈單峰值分布,隨煤柱寬度的增大,應(yīng)力呈雙峰值分布。

(2)在工作面回采期間,因受采動(dòng)的影響,使煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力猛增,并且煤柱越小,應(yīng)力增幅越快,煤柱越大,應(yīng)力增幅相對(duì)越慢。5m的煤柱應(yīng)力增幅為2.9 MPa;10 m的煤柱應(yīng)力增幅為1.5 MPa;15 m、20 m、25 m煤柱應(yīng)力增幅均為1 MPa。

(3)煤柱寬度對(duì)應(yīng)力分布影響較大,煤柱越小,兩巷引起的圍巖應(yīng)力相互疊加,形成“山字狀”應(yīng)力分布,煤柱受載越大;隨著煤柱寬度的增加,相互干擾相對(duì)減弱,應(yīng)力疊加減小,應(yīng)力分布近似“馬鞍狀”分布,煤柱受載逐漸減弱。并且,掘進(jìn)和工作面回采對(duì)煤柱應(yīng)力分布的影響程度不同,采動(dòng)影響大于掘進(jìn)影響,最大峰值位于采空區(qū)下方4～5 m范圍內(nèi)。

由圖3可以看出,在37102回風(fēng)巷掘進(jìn)期間及37102工作面回采期間,37202回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布具有以下特征。

(2)在工作面回采期間,因受采動(dòng)影響,使煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力猛增,并且煤柱越小,應(yīng)力增幅越快,煤柱越大,應(yīng)力增幅相對(duì)越慢。5 m的煤柱應(yīng)力增幅為2.8 MPa;10 m的煤柱應(yīng)力增幅為2 MPa;15 m、20 m和25 m的煤柱應(yīng)力增幅均為1 MPa。

(3)煤柱寬度對(duì)于應(yīng)力分布影響較大,煤柱越小,兩巷引起的圍巖應(yīng)力相互疊加,煤柱受載越大,隨著煤柱寬度的增加,相互干擾相對(duì)減弱,應(yīng)力疊加減小,煤柱受載逐漸減弱。并且,掘進(jìn)和工作面回采對(duì)煤柱應(yīng)力分布的影響程度不同,采動(dòng)影響大于掘進(jìn)影響,最大峰值位于采空區(qū)下方2～3 m范圍內(nèi)。

可見,煤柱越小,應(yīng)力集中越大,煤柱越不穩(wěn)定,而煤柱越大,應(yīng)力疊加越不明顯,煤柱越穩(wěn)定;采掘?qū)γ褐鶓?yīng)力的分布影響程度不一樣,掘進(jìn)對(duì)煤柱的應(yīng)力分布影響相對(duì)較小,而采動(dòng)對(duì)煤柱的應(yīng)力分布影響較大;不同埋深的煤柱應(yīng)力分布大小不同,埋藏越深煤柱應(yīng)力越大。煤柱應(yīng)力最大峰值受煤層傾角的影響,其峰值位置隨煤層傾角增加呈現(xiàn)沿傾斜方向下移的特征。

2.2.4 巷道表面位移與煤柱寬度的關(guān)系

(1)37202運(yùn)輸巷表面位移與煤柱寬度的關(guān)系。

圖4 37102運(yùn)輸巷掘進(jìn)期和工作面回采期間

37102運(yùn)輸巷掘進(jìn)期和工作面回采期間37202運(yùn)輸巷表面位移與煤柱寬度的關(guān)系見圖4。由圖4可以看出,37202運(yùn)輸巷表面位移量隨著護(hù)巷煤柱變化呈現(xiàn)以下特點(diǎn):

采掘?qū)ο锏赖膰鷰r變形都產(chǎn)生重要的影響,但影響程度不同,采動(dòng)大于掘進(jìn)影響,采動(dòng)影響時(shí),頂板下沉量大于煤柱側(cè)煤幫變形量,而掘進(jìn)期間,煤柱側(cè)煤幫變形量大于頂板下沉量,不論是掘進(jìn)還是采煤影響,實(shí)體煤側(cè)煤幫移近量最小;

巷道圍巖變形量隨煤柱的寬度的增大而減小,但變化速率不同,5～15 m范圍,變形速率較大,說明巷道處在此范圍內(nèi),巷道變形量較大而不穩(wěn)定,隨著煤柱寬度的增大,大于15 m之后(包括15 m),巷道圍巖變化速率減緩,變形量漸漸穩(wěn)定,處在此范圍內(nèi)的巷道受采掘影響相對(duì)較小,巷道易于維護(hù)。

2.5 健康指導(dǎo) 向患者闡述與疾病相關(guān)的知識(shí)，提高對(duì)曼氏裂頭蚴感染危害性的認(rèn)識(shí)，說明食物除應(yīng)具備的營養(yǎng)要素外，還應(yīng)保證其衛(wèi)生安全，防止有害因素引起的食源性疾病。首先，養(yǎng)成良好的個(gè)人衛(wèi)生習(xí)慣，做到飯前便后要洗手，注意手的衛(wèi)生是飲食安全的第一步。其次，養(yǎng)成良好的飲食衛(wèi)生習(xí)慣，不吃不潔食物，不飲用生水等，防止病從口入。生、熟食要分開處理，烹調(diào)食物時(shí)，要充分煮熟，保持餐具清潔衛(wèi)生。

(2)37202回風(fēng)巷表面位移與煤柱寬度的關(guān)系。

圖5 37102回風(fēng)巷掘進(jìn)期和工作面回采期間

37102回風(fēng)巷掘進(jìn)期和工作面回采期間37202回風(fēng)巷表面位移與煤柱寬度的關(guān)系見圖5。由圖5可以看出,37202回風(fēng)巷表面位移量隨著護(hù)巷煤柱變化呈現(xiàn)以下特點(diǎn):

采動(dòng)時(shí),頂板下沉量大于煤柱側(cè)煤幫變形量,而掘進(jìn)期間,煤柱側(cè)煤幫變形量大于頂板下沉量,不論是掘進(jìn)還是采煤影響,實(shí)體煤側(cè)煤幫移近量最小;

巷道圍巖變形量隨煤柱的寬度的增大而減小,但變化速率不同,5～10 m范圍,變形速率較大,說明巷道處在此范圍內(nèi),巷道變形量較大而不穩(wěn)定,隨著煤柱寬度的增大,大于10 m之后(包括10 m)巷道圍巖變化速率減緩,變形量漸漸穩(wěn)定,處在此范圍內(nèi)的巷道受采掘影響相對(duì)較小,巷道易于維護(hù)。

可見,不同寬度的煤柱對(duì)巷道的圍巖變形產(chǎn)生不同的影響,煤柱越小,巷道圍巖變形量越大,巷道越不穩(wěn)定,反之,巷道圍巖變形量越小,巷道越穩(wěn)定;采動(dòng)對(duì)巷道圍巖的變形影響較大。

2.2.5 數(shù)值模擬確定的煤柱寬度

(1)采掘?qū)γ褐鶓?yīng)力的分布影響程度不一樣,掘進(jìn)對(duì)煤柱的應(yīng)力分布影響相對(duì)較小,而采動(dòng)對(duì)煤柱的應(yīng)力分布影響較大,并且,不同埋深的煤柱應(yīng)力分布大小不同,埋藏越深煤柱應(yīng)力越大。采掘?qū)Σ煌瑢挾让褐膽?yīng)力分布影響不同,煤柱越小,應(yīng)力集中越大,煤柱越不穩(wěn)定,而煤柱越大,應(yīng)力疊加越不明顯,煤柱越穩(wěn)定。

(2)采掘?qū)ο锏赖膰鷰r變形同樣都產(chǎn)生重要的影響,但影響程度不同,采動(dòng)影響大于掘進(jìn)影響,采動(dòng)時(shí),頂板下沉量大于煤柱側(cè)煤幫變形量,而掘進(jìn)期間,煤柱側(cè)煤幫變形量大于頂板下沉量,不論是掘進(jìn)還是采煤影響,實(shí)體煤側(cè)煤幫移近量最小。并且,巷道圍巖變形量隨煤柱寬度的增大而減小。

(3)煤柱寬度的確定既要考慮采動(dòng)的影響,又要考慮煤炭資源的回收以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。綜上所述,37202運(yùn)輸巷煤柱寬度應(yīng)大于或等于15 m,而37202回風(fēng)巷的煤柱寬度應(yīng)大于或等于10 m。綜合考慮各種因素,劉東煤礦西三采區(qū)護(hù)巷煤柱的寬度確定為15 m。

3 聯(lián)合開采的時(shí)空關(guān)系分析確定

根據(jù)巷道布置及煤柱寬度的分析,確定71、72煤層實(shí)行下行式聯(lián)合開采,回采巷道采用外錯(cuò)式布置方式,兩工作面之間的相對(duì)位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 兩工作面相對(duì)位置圖

各巷道的施工順序?yàn)?首先沿7煤層頂板施工采面的回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷,待施工到71、72煤層分叉點(diǎn)處,向下沿72煤層掘進(jìn)37202回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷,待系統(tǒng)形成后,分別在37202回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷A、B點(diǎn)(71煤層的變薄處)開口作斜巷,進(jìn)入71煤層,然后沿71煤層頂板施工37102回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷及切眼,37102回風(fēng)巷平行于37202回風(fēng)巷布置,兩巷間的煤柱水平寬度L2,37102運(yùn)輸巷平行于37202運(yùn)輸巷布置,兩巷間的煤柱水平寬度L1,巷道采用炮掘施工。

37102工作面走向長度為165 m,根據(jù)劉東煤礦現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)條件,設(shè)計(jì)工作面日推進(jìn)距離2.4 m,則37102工作面預(yù)計(jì)開采時(shí)間約為3個(gè)月。

37102工作面的煤層厚度平均為1.4 m,根據(jù)劉東煤礦以往類似條件下,71煤層開采后,上覆巖層活動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間在3個(gè)月左右。因此確定37102工作面推進(jìn)到71煤層變薄帶,即37102工作面完全回采完畢后,等待1個(gè)月后以保證上覆巖層活動(dòng)完全穩(wěn)定,然后回采72煤層,可以確保71煤層的上覆巖層活動(dòng)不會(huì)對(duì)72煤層回采造成影響。

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[2] 陸士良,孫永聯(lián),姜耀東.巷道與上部煤柱邊緣間水平距離X的選擇[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1993(2)

[3] 陸士良,姜耀東,孫永聯(lián).巷道與上部煤層間垂距Z的選擇[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1993(1)

[4] 郭文兵,劉明舉,李化敏,史新林.多煤層開采采場(chǎng)圍巖內(nèi)部應(yīng)力光彈力學(xué)模型研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2001(1)

Study on width of the coal pillar for the combined mined unstable very contiguous seams

Song Chengbiao
(Liudong Coal Mine,Xinguang Group,Huaibei,Anhui 235000,China)

This paper analyzes the width of the coal pillar for the combined mined unstable very contiguous seams by theoretical analysis and FLAC numerical simulation.On basis of the side abutment pressure pattern and empirical formula,it finds that the coal pillar must be wider than 14m to avoid influence of the peak value of the side abutment pressure.It concludes from numerical simulation that tunneling effect on the stress distribution of the pillar is relatively minor while influence of mining is major;the deeper the pillar is buried,the bigger of the stress;and the effect of mining on pillar stress varies along with the width of the pillar:the wider the pillar is,the more stable of the pillar.Considering various factors,coal pillar width of the Western 3rd mining area of Liudong Mine is determined into 15m.

unstable very contiguous seams,combined mining,coal pillar,theoretical analysis,numerical simulation

TD822.3

A

宋成標(biāo)(1967-),男,江蘇鹽城人,現(xiàn)任新光集團(tuán)劉東煤礦副礦長,主要從事采掘生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)