淺埋近距離煤層群房柱采空區(qū)下支架合理支護(hù)強(qiáng)度確定

張孝福

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

淺埋近距離煤層群房柱采空區(qū)下支架合理支護(hù)強(qiáng)度確定

張孝福1,2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

為了確保淺埋近距離煤層群房柱采空區(qū)下綜采工作面的安全高效開采，采用數(shù)值模擬和理論分析的方法研究了房柱式采空區(qū)下工作面支架合理支護(hù)強(qiáng)度。研究表明，房柱采空區(qū)殘留煤柱集中應(yīng)力影響的深度約為20 m，下部工作面回采時(shí)應(yīng)考慮集中應(yīng)力的影響，殘留煤柱對(duì)下部工作面開采合理的應(yīng)力集中系數(shù)為1.30；并根據(jù)“短砌體梁”理論，計(jì)算得到了大地精煤礦房柱采空區(qū)下綜采工作面支架合理支護(hù)強(qiáng)度為1.07～1.21 MPa。該研究方法和結(jié)果對(duì)類似條件下綜采工作面支架合理工作阻力的確定具有借鑒和指導(dǎo)意義。

近距離煤層群 淺埋煤層 房柱采空區(qū) 支護(hù)強(qiáng)度

我國(guó)房柱式采空區(qū)下方進(jìn)行長(zhǎng)壁開采已經(jīng)有了一定的實(shí)踐和研究[1]，但淺埋近距離房柱采空區(qū)下煤層開采則研究較少。淺埋煤層頂板不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，頂板破斷易于出現(xiàn)臺(tái)階下沉，嚴(yán)重時(shí)有可能造成壓架事故，基本頂破斷運(yùn)動(dòng)有可能直接波及地表，工作面出現(xiàn)明顯動(dòng)載現(xiàn)象[2-11]，淺埋煤層采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定控制與支護(hù)設(shè)計(jì)一直是世界采礦工程領(lǐng)域研究的熱門課題[12]。所以研究淺埋近距離煤層群房柱式采空區(qū)下應(yīng)力分布規(guī)律及工作面支護(hù)強(qiáng)度的適應(yīng)性，具有重要的理論及實(shí)踐價(jià)值。

1 工程概況

大地精煤礦共賦存2#、3#以及4#等3層煤，其中2#煤不穩(wěn)定，只有部分區(qū)域采用房柱式開采。2#煤遺留的大部分煤柱位于3#煤層3303、3304工作面上部，遺留煤柱尺寸以8 m×8 m和6 m×6 m為主。

3#煤層開采煤層厚度2.39～3.5 m，平均為3.12 m，煤層傾角0°～30°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定。頂板巖性為泥質(zhì)粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，底板為粉砂巖，與2#煤層的間距為24.75～41.26 m，平均32.41 m。

2 模型的建立

根據(jù)大地精煤礦鉆孔柱狀圖，沿煤層走向做剖面，建立二維數(shù)值計(jì)算模型。在不影響數(shù)值模擬結(jié)果的前提下，為了簡(jiǎn)化模擬，對(duì)工作面上覆巖層厚度做合理修正，修正后的巖層厚度分別為13、4、4、5.5、12、13、3.5和15 m。模型中各煤巖層材料參數(shù)及解理面力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示，變形塊體采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，節(jié)理材料的本構(gòu)模型采用節(jié)理面接觸-庫(kù)倫滑移；上邊界為應(yīng)力邊界條件下，施加均布載荷，模型兩側(cè)及下部邊界設(shè)定位移邊界條件。

表1 巖塊力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

3 房柱采空區(qū)對(duì)下位煤層開采應(yīng)力的影響

3#煤覆巖中垂直應(yīng)力分布如圖1所示，從圖1中可以看出由于煤柱對(duì)頂板的支撐作用，煤柱下方底板中應(yīng)力增高，形成應(yīng)力增高區(qū)。而煤房?jī)?nèi)由于沒有被填滿，采空區(qū)上覆巖層重力沒有施加到煤房底板上，因此底板中應(yīng)力得到釋放，其下部形成應(yīng)力降低區(qū)。煤房與煤柱交替分布使得底板中應(yīng)力也不斷變化，將對(duì)下部煤層的開采帶來不利影響。

圖1 垂直應(yīng)力分布圖

在3#煤上覆巖層中布置測(cè)線以得到不同層位的應(yīng)力分布曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出，煤柱對(duì)下部巖層的影響隨著深度的增加不斷減弱，2#煤采空區(qū)殘留煤柱影響深度在20 m左右；而3#煤與2#煤平均間距為32.41 m，所以2#煤的殘留煤柱將影響3#工作面老頂活動(dòng)規(guī)律，甚至波及到直接頂。所以，在房柱采空區(qū)下開采3#煤層時(shí)，需要考慮應(yīng)力集中對(duì)工作面支架工作阻力的影響，尤其在層間距較小的區(qū)域要加強(qiáng)支護(hù)。

圖2 3#煤層上覆巖層中不同層位垂直應(yīng)力分布圖

2#煤殘留煤柱以6 m和8 m的居多，所以主要研究這2種情況與2#煤全采時(shí)3#煤覆巖應(yīng)力分布規(guī)律異同點(diǎn)，從而確定房柱采空區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)，以確定3#煤工作面支架工作阻力。工作面與上部煤層位置關(guān)系如圖3所示。

圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)為上述3種條件下3#煤工作面控頂區(qū)范圍內(nèi)(5 m)上方部分層位的垂直應(yīng)力分布情況，在3種開采條件下，煤層上方部分層位的垂直應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，在至煤壁1 m范圍內(nèi)的控頂區(qū)頂板垂直應(yīng)力最大。在至煤壁1 m處布置1條豎直測(cè)線，得到不同開采條件下控頂區(qū)內(nèi)的最大垂直應(yīng)力如圖4(d)所示。

由圖4(d)可知，當(dāng)2#煤層全采時(shí)，最大應(yīng)力值約為10.0 MPa；當(dāng)2#煤層采8 m留8 m時(shí)，最大應(yīng)力值約為12.72 MPa；當(dāng)2#煤層采6 m留6 m時(shí)，最大應(yīng)力值約為14.19 MPa；此處控頂區(qū)垂直應(yīng)力集中系數(shù)約為1.27～1.41。而由UDEC數(shù)值模擬軟件的特點(diǎn)和相關(guān)理論知識(shí)可知，頂板上方0 m處的垂直應(yīng)力較接近工作面支架的工作阻力，由圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)可知，3種條件下此處的應(yīng)力值分別為0.97 MPa、1.27 MPa和1.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.22～1.30。根據(jù)圖4(d)可知上覆應(yīng)力在傳遞過程中逐漸衰減，故確定房柱下開采合理的應(yīng)力集中系數(shù)為1.30。

圖3 工作面位置與2#煤層的相對(duì)位置關(guān)系

4 工作面支架支護(hù)強(qiáng)度的確定

根據(jù)上述分析，2#煤殘留煤柱對(duì)3#煤層開采產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)為1.30，因此3#煤工作面頂板支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響。

大地精煤礦3#煤層埋深在77～131 m，屬于淺埋煤層，淺埋煤層上覆巖層不易形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑落失穩(wěn)，如圖5所示[13]。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，當(dāng)2#煤沒有開采時(shí)，可得此時(shí)3#煤工作面支架合理的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為

p=0.82～0.93 MPa.

在房柱采空區(qū)下，根據(jù)前文分析，需考慮集中應(yīng)力的影響，所以房柱采空區(qū)下3#煤的工作面合理支護(hù)強(qiáng)度pF為

pF=1.30×(0.82～0.93)=1.07～1.21 MPa.

5 結(jié) 論

(1)房柱采空區(qū)殘留煤柱影響下部煤層的開采。殘留煤柱集中應(yīng)力影響的深度約為20 m，3#煤層開采時(shí)工作面支架工作阻力需要考慮集中應(yīng)力的影響，在層間距較小的區(qū)域還需要加強(qiáng)支護(hù)。

(2)當(dāng)工作面采場(chǎng)位于殘留煤柱下方時(shí)，煤壁1 m范圍內(nèi)的控頂區(qū)頂板垂直應(yīng)力最大。

(3)對(duì)不同采空區(qū)條件下3#煤層工作面控頂區(qū)范圍內(nèi)頂板中應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，并經(jīng)分析對(duì)比得出3#煤層房柱下開采合理的應(yīng)力集中系數(shù)為1.30。

(a)2#煤層全開采

(b)2#煤層采8 m留8 m

(c)2#煤層采6 m留6 m

(d)至煤壁1 m處

圖5 老頂巖塊周期滑落失穩(wěn)結(jié)構(gòu)模型

(4)根據(jù)3#煤層賦存條件，采用“短砌體梁”理論并結(jié)合煤柱影響應(yīng)力集中系數(shù)，大地精煤礦3#煤支護(hù)強(qiáng)度為1.07～1.21 MPa。

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(責(zé)任編輯 石海林)

ReasonableSupportingIntensityinShallowShort-distanceMulti-seamsWorkingFaceunderRoom-PillarGoaf

Zhang Xiaofu1，2

(1.CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China;2.InnerMongoliaYitaiCoalCo..Ltd.，Ordos017000，China)

In order to ensure the safe and high efficient production of the shallow short-distance multi-seams coal in fully mechanized coal face，the rational support strength of a room pillar beneath goaf is investigated by the theoretical analysis and the numerical simulation.The results show that the depth of stress concentration at the remained pillars is about 20 m，so the effect of concentrated stress at the under-part working face.In the support control area，the vertical stress concentration factor of the remained coal pillars on the under-part is 1.30.Based on “short voussoir beam” theory，the rational support intensity of the coal room pillars in Dadijing coal mine for the fully mechanized coal face under goaf is calculated as the value from 1.07 to 1.21 MPa.The research can offer some meaningful reference and guide for determining the reasonable working resistance of the support in the similar condition of fully mechanized working face.

Short-distance multi-seams，Shallow coal seam，Room-pillar goaf，Supporting intensity

2014-09-23

張孝福(1982—)，男，工程師，碩士研究生。

TD355

A

1001-1250(2014)-12-053-04