聯(lián)合布置采區(qū)集中下山保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸研究＊

殷 偉 昝東峰 聶守江

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

聯(lián)合布置采區(qū)集中下山保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸研究＊

殷 偉1，2昝東峰1，2聶守江1，2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

為確定翟鎮(zhèn)煤礦三采區(qū)集中下山巷道合理保護(hù)煤柱寬度，采用理論分析、UDEC計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，分析了1401E工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，模擬了集中下山巷道在不同寬度保護(hù)煤柱條件下受采動(dòng)影響的應(yīng)力應(yīng)變情況。最終確定合理的集中下山巷道保護(hù)煤柱寬度為20m，并且取得了良好的工程應(yīng)用效果。

采區(qū)下山 保護(hù)煤柱寬度 數(shù)值模擬

保護(hù)煤柱的尺寸對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性控制以及巖層移動(dòng)控制尤為重要，保護(hù)煤柱尺寸過大不利于煤柱回收，造成資源浪費(fèi)；尺寸太小，巷道維護(hù)工作非常困難。目前國內(nèi)外在保護(hù)煤柱合理寬度的留設(shè)方面有許多研究成果和相關(guān)理論，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。針對(duì)翟鎮(zhèn)煤礦三采區(qū)實(shí)際采礦條件，運(yùn)用理論分析并結(jié)合UDEC數(shù)值模擬，以此為集中下山巷道保護(hù)煤柱留設(shè)尺寸提供一定的理論依據(jù)。

1 概況

翟鎮(zhèn)煤礦三采區(qū)2＃、4＃煤層屬于緩（傾）斜中厚煤層群，平均間距約20m，2＃、4＃煤層采用上下山聯(lián)合準(zhǔn)備方式。1401E工作面開采4＃煤層，平均煤厚2.79m，埋深約380m。工作面走向長度412m，傾向長度196m。工作面為單斜構(gòu)造，平均傾角為6°。2＃煤層與4＃煤層的巖層性質(zhì)見表1。

在1401E工作面西側(cè)布置3條下山，分別是布置在煤層中的回風(fēng)下山、軌道下山和布置在底板巖層中的運(yùn)輸下山。軌道下山與回風(fēng)下山相距35m，回風(fēng)下山與運(yùn)輸下山相距10m，運(yùn)輸下山距離4＃煤層底板10m。工作面及下山布置如圖1所示。

圖1 工作面及下山布置

2 煤柱留設(shè)寬度的理論計(jì)算

對(duì)于受采動(dòng)影響的巷道，它的維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響以外，主要取決于采動(dòng)影響。煤層開采以后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點(diǎn)轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力帶，于工作面前方形成移動(dòng)支承壓力。在高應(yīng)力作用下，煤體處于彈塑性變形狀態(tài)。

2.1 塑性區(qū)超前支承壓力峰值的計(jì)算

煤體的承載能力隨著遠(yuǎn)離煤體邊緣而明顯增長。在距離煤體邊緣一定寬度范圍內(nèi)，煤體的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)，運(yùn)用巖體的極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值與煤體邊緣之間的距離Xa為：

式中：Cm——內(nèi)聚力，取0.2MPa；

θ——摩擦角，取15°；

f——煤層與頂?shù)装彘g的摩擦系數(shù)，取0.33；

M——采高，取2.79m；

H——煤層埋深，取380m；

γ——覆巖平均容重，取2700kg／m3；

n——最大應(yīng)力集中系數(shù)，取3～5；

K1——三軸應(yīng)力系數(shù)，

將上述各參數(shù)代入式（1），得到煤體邊緣塑性區(qū)寬度Xa＝5.2m。

2.2 彈性區(qū)內(nèi)超前支承壓力計(jì)算

式中：f——層間的摩擦系數(shù)，取0.33；

β——測(cè)壓系數(shù)，取1.21～1.45。

設(shè)彈性區(qū)的范圍為X1，當(dāng)X＝Xa＋X1時(shí)，將σy＝γH代入式（2）得：

由式（3）可得彈性區(qū)的范圍X1＝10～12m。

隨著距煤壁距離增加，塑性區(qū)內(nèi)支承壓力呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞增至支承壓力峰值；彈性區(qū)內(nèi)支承壓力呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減至原始支承壓力。

綜上所述，為了減少采動(dòng)形成的支承壓力對(duì)集中下山巷道影響，使巷道處于彈性區(qū)應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)的煤體中，保護(hù)煤柱合理寬度應(yīng)為18m左右。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立及參數(shù)選取

3.1.1 模型范圍及邊界條件

考慮翟鎮(zhèn)煤礦煤層埋藏比較深，將關(guān)鍵層上部296m厚的巖層簡化為均布載荷加在模型上邊界，關(guān)鍵層及其下部巖層全部鋪設(shè)。模型的左右邊界不小于一個(gè)完整工作面的開采及影響范圍。工作面推進(jìn)距離約為400m，考慮邊界效應(yīng)，同時(shí)為了節(jié)約機(jī)時(shí)，本次模擬方案的范圍取600m×104m（寬×高）。

數(shù)值模擬力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值摸擬力學(xué)模型

3.1.2 模型單元?jiǎng)澐旨坝?jì)算參數(shù)

圍巖本構(gòu)關(guān)系采用莫爾－庫侖（Mohr－Coulomb）模型。模型中圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參照該礦綜合柱狀圖和相近礦區(qū)的巖體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行確定，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算模型中的巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.2.1 2＃煤層開挖后圍巖變形及應(yīng)力分布

2＃煤層開挖后，會(huì)對(duì)底板巖層形成應(yīng)力擾動(dòng)，巷道的圍巖變形及應(yīng)力分布情況如圖3所示。從圖中可以看出，2＃煤層開采后，下山處的垂直應(yīng)力集中系數(shù)略有升高，約為1.5左右；水平應(yīng)力在數(shù)值上大于垂直應(yīng)力，集中系數(shù)約為1.4～1.6；巷道變形量很小，僅在個(gè)別節(jié)點(diǎn)位置出現(xiàn)了小于50mm的位移，且塑性區(qū)不發(fā)育。反映了上煤層開挖對(duì)集中下山的影響極為有限，2＃煤層開挖后下山不需要做額外維護(hù)。

圖3 2＃煤層開挖后應(yīng)力應(yīng)變分布情況

3.2.2 4＃煤層開挖后圍巖變形及應(yīng)力分布

4＃煤層開挖360m后，巷道圍巖變形及應(yīng)力分布情況如圖4所示。從圖中可以看出，4＃煤層開挖360m后，在工作面前方造成了較大的垂直應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)約為2～3。整個(gè)開采區(qū)域的水平應(yīng)力于開采前相比有所降低，但在個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)了較大的集中。由于工作面距離軌道下山40m，煤層開采造成的礦壓在下山上方較遠(yuǎn)處巖層中有所顯現(xiàn)，但對(duì)下山附近的巖層基本沒有影響，此時(shí)下山圍巖節(jié)點(diǎn)位移量小于100mm，下山巷道使用狀況良好。

圖4 4＃煤層開挖360m后巷道變形及應(yīng)力分布情況

4＃煤層開挖380m后巷道圍巖變形及應(yīng)力分布情況如圖5所示。從圖中可以看出，4＃煤層開挖380m后，由于工作面距離軌道下山僅為20m，工作面前方應(yīng)力集中區(qū)域已經(jīng)波及到下山保護(hù)煤柱，回風(fēng)下山和軌道下山附近的垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了2.6左右，但水平應(yīng)力基本在原巖應(yīng)力水平。巷道圍巖的變形量有所增加，在軌道下山中部分節(jié)點(diǎn)位移量到達(dá)130mm，但塑性區(qū)沒有發(fā)育，顯示此時(shí)下山有一定變形量，日常維護(hù)量不大，可以正常使用。

4＃煤層開挖385m后巷道圍巖變形及應(yīng)力分布情況如圖6所示。從圖中可以看出，4＃煤層開挖385m后，由于工作面距離軌道下山僅為15m，工作面前方垂直應(yīng)力峰值區(qū)域已經(jīng)覆蓋下山區(qū)域，回風(fēng)下山和軌道下山附近的垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3左右。此外，巷道圍巖的變形量有所增加，在軌道下山中部分節(jié)點(diǎn)位移量達(dá)到200mm。軌道下山附近的巖層中塑性區(qū)比較發(fā)育，由于超前壓力的影響，煤層已處于塑性變形階段。軌道下山的變形比較劇烈，維護(hù)困難。

圖5 4＃煤層開挖380m后巷道變形及應(yīng)力分布情況

3.3 數(shù)值模擬結(jié)論及驗(yàn)證分析

數(shù)值模擬研究了在2＃煤層開采完畢的情況下，4＃煤層向前推進(jìn)到距離軌道下山40m、20m和15m時(shí)下山巷道的應(yīng)力應(yīng)變情況，得出以下主要結(jié)論：

（1）當(dāng)工作面推進(jìn)到距離軌道下山40m時(shí)，采動(dòng)對(duì)下山巷道基本沒有影響，巷道圍巖位移量小于100mm，使用狀況良好。

（2）當(dāng)工作面推進(jìn)到距離軌道下山20m時(shí)，下山巷道的礦壓顯現(xiàn)不明顯，日常維護(hù)量較小。

（3）當(dāng)工作面推進(jìn)到距離軌道下山15m時(shí)，工作面前方垂直應(yīng)力峰值區(qū)域已經(jīng)覆蓋下山區(qū)域；軌道下山中部分節(jié)點(diǎn)位移量達(dá)到240mm，下山附近巖層中塑性區(qū)比較發(fā)育，巷道維護(hù)比較困難。

綜合理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，最終確定集中下山保護(hù)煤柱寬度為20m，即合理的停采線位置距離軌道下山20m。對(duì)三采區(qū)集中下山確定了合理的停采線位置后，下山避免了超前支承應(yīng)力疊加的影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巷道頂?shù)装逡平坎蛔?80mm，巷道在無需額外加固的情況下能夠正常使用。

圖6 4＃煤層開挖385m后巷道變形及應(yīng)力分布情況

4 結(jié)論

（1）通過理論計(jì)算，確定了超前支承壓力塑性區(qū)及彈性區(qū)影響范圍約為18m。

（2）通過數(shù)值模擬，結(jié)合理論分析結(jié)果，確定合理的下山保護(hù)煤柱寬度為20m。

［1］ 劉長友，劉奎等.超長“孤島”綜放面大煤柱護(hù)巷的數(shù)值模擬［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（4）

［2］ 魏峰遠(yuǎn)，陳俊杰，鄒友峰.留設(shè)保護(hù)煤柱尺寸的影響因素及變化規(guī)律探討［J］.中國礦業(yè)，2006（12）

［3］ 姬王鵬，劉長友等.特厚煤層大巷保護(hù)煤柱寬度數(shù)值模擬研究［J］.煤礦開采，2010（5）

［4］ 張飛，范文勝，孫建嶺等.大傾角綜放面區(qū)段保護(hù)煤柱的參數(shù)優(yōu)化研究［J］.中國煤炭，2010（3）

［5］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［6］ 魯巖，樊勝強(qiáng)等.工作面超前支承壓力分布規(guī)律［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（2）

The coal pillar dimensions of the gathering dip in a joint disposed district

Yin Wei1，2，Zan Dongfeng1，2，Nie Shoujiang1，2
（1.School of Mines，China University of Mining ＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

To determine the optimal coal pillar width of the third district＇s gathering dip in Zhaizhen coal mine，the front abutment pressure distribution of 1401Epanel was analyzed theoretically，and the gathering dip＇s mining induced stress and strain with different coal pillar widths were simulated by the UDEC software.The gathering dip＇s optimal coal pillar width was finally determined as 20m，and it is proved to be rational in the engineering application.

district dip，coal pillar width，numerical simulation

TD322

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51074165）；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50834004）

殷偉（1986－），男，江蘇省淮安市人，碩士，從事采動(dòng)巖體控制及固體物充填開采等方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）