大傾角煤層沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸探究與應(yīng)用

衡 多王鵬翔馬文強(qiáng)江姣姣

(1.河南永錦能源有限公司,河南省禹州市,461670; 2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

大傾角煤層沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸探究與應(yīng)用

衡 多1王鵬翔1馬文強(qiáng)2江姣姣3

(1.河南永錦能源有限公司,河南省禹州市,461670; 2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

為確定大傾角煤層沿空掘巷預(yù)留小煤柱合理寬度,通過理論計(jì)算對(duì)護(hù)巷煤柱寬度進(jìn)行了分析;運(yùn)用UDEC模擬軟件對(duì)不同煤柱寬度下巷道的變形量和煤柱應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:理論計(jì)算的煤柱合理寬度應(yīng)為5 m;綜合數(shù)值模擬中煤層頂板支承壓力分布、巷道變形量和煤柱應(yīng)力集中情況選取煤柱寬度為5 m,與理論計(jì)算相符;將所得結(jié)果應(yīng)用于21071工作面回風(fēng)巷的掘進(jìn),即留設(shè)5 m煤柱沿空掘進(jìn)巷道,回采期巷道變形量能滿足礦井正常生產(chǎn)需求,無需返修。

大傾角煤層 開采工作面 沿空掘巷 煤柱寬度 數(shù)值模擬

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已對(duì)近水平及緩斜煤層開采沿空掘巷煤柱尺寸做了大量研究,通過經(jīng)驗(yàn)估算、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法得出了各礦區(qū)工作面沿空掘巷合理的護(hù)巷煤柱寬度。而大傾角工作面沿空掘巷合理煤柱寬度確定方面的研究較少,本文旨在對(duì)大傾角三軟煤層綜采工作面沿空掘巷合理煤柱寬度留設(shè)進(jìn)行研究,選用離散元UDEC軟件從而能對(duì)掘巷一側(cè)采空區(qū)矸石的冒落、壓實(shí)和穩(wěn)定進(jìn)行較好地模擬,進(jìn)而確定煤柱留設(shè)寬度,并針對(duì)最佳設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),深化對(duì)小煤柱沿空掘巷的認(rèn)識(shí)。

1 工程概況

富山煤業(yè)礦井21051工作面開采二1煤層,工作面走向40°～70°,傾向130°～160°,工作面走向長(zhǎng)458 m,傾向長(zhǎng)110 m,采面上限標(biāo)高＋40 m,地面標(biāo)高＋340～＋382 m。該面將在短期內(nèi)回采結(jié)束,為保證工作面正常接替,在21051工作面采空區(qū)邊緣留小煤柱沿空掘進(jìn)21071工作面回風(fēng)巷。二1煤層均厚4.0 m,煤層傾角平均36°,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 護(hù)巷煤柱寬度的理論計(jì)算

沿空掘巷沿鄰近區(qū)段采空區(qū)邊緣布置,見圖1。由于在采空區(qū)邊緣煤體彈性應(yīng)力高峰采空區(qū)側(cè)存在一個(gè)相對(duì)低應(yīng)力狀態(tài)的峰后煤體,即煤體內(nèi)的破裂區(qū)和塑性區(qū),圖1中Ⅰ、Ⅱ區(qū)域,若在其中布置巷道支護(hù)載荷相對(duì)較小,X1為采空區(qū)側(cè)煤體中的塑性區(qū)寬度;X3為巷道打入窄煤柱幫錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度,考慮到錨桿鉆孔的方向、深度偏差和有效錨固長(zhǎng)度,長(zhǎng)度取1.6 m;X2為考慮煤層較厚而增加的煤柱安全寬度,取(X1＋X3)的10%計(jì)算。

圖1 沿空掘巷煤柱留設(shè)示意圖

參照相關(guān)文獻(xiàn),采空區(qū)側(cè)煤體塑性區(qū)寬度X1計(jì)算如下:

式中:m——煤層采厚,取4.0 m;

A——側(cè)壓系數(shù),取0.43;

μ——泊松比,取0.3;

φ——煤層內(nèi)摩擦角,取32°;

C——煤層界面粘聚力,取3 MPa;

K——應(yīng)力集中系數(shù),取2.0;

γ——巖層平均容重,取24 k N/m3;

H——巷道埋深,取400 m;

P——支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力,取0 MPa。

根據(jù)以上條件進(jìn)行計(jì)算,得到采空區(qū)側(cè)煤體塑性區(qū)寬度X1為3.0 m,巷道窄煤柱幫錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度X3為1.6 m,考慮煤層較厚增加的煤柱安全寬度X2為0.46 m,護(hù)巷煤柱寬度B為5.06 m (X1＋X2＋X3)。

3 護(hù)巷煤柱寬度的數(shù)值模擬

3.1 模型的建立及監(jiān)測(cè)線的布置

采用離散元軟件UDEC4.0進(jìn)行模擬分析,離散元軟件所建立的礦山數(shù)值模型在煤層開采后上覆頂板能垮落并充填采空區(qū),因此該軟件能夠較好地模擬采空區(qū)頂板的冒落彎曲和老頂?shù)挠|矸壓實(shí)作用。根據(jù)21051工作面的地質(zhì)資料,充分考慮煤層傾角對(duì)模型的影響,以綜采工作面傾向剖面為現(xiàn)場(chǎng)模型建立起沿空掘巷數(shù)值模型,模型各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

由于模型尺寸過大,只取沿空掘巷部分,如圖2所示。模型尺寸為150 m×120 m(寬×高),左右邊界水平方向固定,底邊界垂直固定,頂部施加7 MPa的垂直方向均布載荷,模擬上覆巖層重力;模擬21051工作面長(zhǎng)度80 m,巷道斷面為梯形,護(hù)巷煤柱寬度分別為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m,通過模擬不同煤柱寬度條件下的巷道變形情況來選取合適的煤柱寬度。在實(shí)體煤側(cè)煤層與直接頂接觸面布設(shè)一條觀測(cè)線,見圖2,用來監(jiān)測(cè)頂板支承壓力分布情況;巷道頂?shù)装搴蛢蓭透鞑荚O(shè)一條觀測(cè)線,用來監(jiān)測(cè)巷道變形量;在煤柱縱、橫中軸各布置一條觀測(cè)線,用來監(jiān)測(cè)煤柱中的應(yīng)力變化。

圖2 護(hù)巷煤柱寬度數(shù)值模型

3.2 模型中工作面回采和巷道掘進(jìn)的模擬

數(shù)值模型初始平衡后,在待開挖煤層中開切眼,沿推進(jìn)方向開挖21051工作面煤層,煤層開挖后直接頂及部分老頂垮落至采空區(qū),剩余老頂及上覆巖層彎曲下沉觸矸,待頂板巖層冒落帶及垮落帶運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定后,開始巷道的挖掘,監(jiān)測(cè)巷道開挖后的變形量。

3.2.1 實(shí)體煤側(cè)煤層頂板支承壓力分布

待工作面煤體挖出,采空區(qū)頂板巖層冒落及彎曲下沉觸矸穩(wěn)定后,將監(jiān)測(cè)實(shí)體煤層頂板的支承壓力數(shù)據(jù)輸出,整理得出煤層頂板支承壓力分布情況,如圖3所示。

圖3 實(shí)體煤側(cè)煤層頂板支承壓力分布

圖3顯示,采空區(qū)頂板運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后,在實(shí)體煤一側(cè)煤層頂板有8m左右的應(yīng)力降低區(qū),若在此范圍內(nèi)布置巷道,則支護(hù)載荷相對(duì)較小。

3.2.2 不同煤柱寬度下巷道變形量

在巷道頂?shù)装搴蛢蓭头謩e布置10個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置見圖4,對(duì)煤柱寬度分別為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的5個(gè)模型進(jìn)行模擬運(yùn)算后,通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)輸出巷道開挖后頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏?做出不同煤柱寬度下的巷道變形折線圖,如圖5所示。

圖4 巷道斷面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)

圖5 不同煤柱寬度的巷道變形量

圖5(a)顯示,煤柱寬度為3～6 m時(shí),巷道頂板變形量相差不大,較煤柱寬度為2 m時(shí)變形量小。

圖5(b)顯示,煤柱寬度為2 m時(shí),巷道底板變形量最小,其他煤柱寬度條件下變形量相差不大,但煤柱寬度為5～6 m時(shí),底鼓量相對(duì)較小。

圖5(c)顯示,煤柱寬度為3 m、4 m和6 m時(shí)實(shí)體煤側(cè)巷幫變形量較大,煤柱寬度為2 m和5 m時(shí)實(shí)體煤側(cè)巷幫變形量較小。

圖5(d)顯示,煤柱寬度為3 m和4 m時(shí)窄煤柱側(cè)巷幫變形量較大,煤柱寬度為5 m和6 m時(shí)變形量平均為13 cm,煤柱寬度為2 m時(shí)窄煤柱側(cè)巷幫變形量最小。

分析可知,巷道頂板變形量從實(shí)體煤側(cè)往窄煤柱側(cè)呈減小趨勢(shì),底板鼓起量呈增加趨勢(shì);而巷道兩幫變形量從底往頂呈增加趨勢(shì),且巷道兩幫水平位移均指向窄煤柱一側(cè)。

3.2.3 不同煤柱寬度下煤柱中應(yīng)力分布

根據(jù)布設(shè)在煤柱里的兩條煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)線(圖2中1＃和2＃監(jiān)測(cè)線),得到不同寬度煤柱中的應(yīng)力分布規(guī)律,如圖6所示。

圖6 煤柱中應(yīng)力分布

由煤層埋藏條件計(jì)算得巷道位置垂直應(yīng)力為9～10 MPa,由圖6可見,巷道開挖后煤柱上出現(xiàn)應(yīng)力集中,煤柱寬度為5 m和6 m時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)為1.4和1.3,此時(shí)煤柱上承受的應(yīng)力相對(duì)較小。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由不同寬度煤柱條件下的數(shù)值模擬結(jié)果可知, 21051工作面采空區(qū)頂板運(yùn)移穩(wěn)定后,實(shí)體煤一側(cè)煤層存在范圍約為8 m的應(yīng)力降低區(qū);綜合巷道變形量結(jié)果可知,煤柱寬度為5 m時(shí),巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟肯鄬?duì)較小;綜合煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知,煤柱寬度為5 m和6 m時(shí),應(yīng)力集中程度相對(duì)較小;由以上分析可知,煤柱寬度為5 m時(shí),在應(yīng)力降低區(qū)靠近煤柱布置沿空巷道,巷道變形量較小,煤柱應(yīng)力集中系數(shù)較小,易于對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù),保護(hù)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 巷道支護(hù)斷面及材料參數(shù)

將數(shù)值模擬得到的結(jié)果用于21071工作面回風(fēng)巷,即在21051工作面采空區(qū)邊緣留設(shè)5 m煤柱沿空掘進(jìn)21071工作面回風(fēng)巷?；仫L(fēng)巷采用工字鋼對(duì)棚支護(hù),工字鋼支護(hù)斷面布置如圖7所示。

圖7 巷道工字鋼支護(hù)斷面

支護(hù)材料規(guī)格及參數(shù)如下:

工字鋼為礦用11＃工字鋼,梁長(zhǎng)2900 mm,腿長(zhǎng)2800 mm;背木為長(zhǎng)700 mm,直徑40～50 mm的圓木;半圓木由長(zhǎng)600 mm,直徑不小于120 mm的圓木縱刨而成;撐桿為專用方木,規(guī)格40 mm×40 mm×600 mm;荊笆規(guī)格為650 mm× 450 mm;塑編網(wǎng)片規(guī)格為2500 mm×650 mm,網(wǎng)孔規(guī)格為35 mm×35 mm;木靴長(zhǎng)200 mm,寬200 mm,厚100 mm;耳寨長(zhǎng)230 mm,寬150 mm,厚300～400 mm。

4.2 回采期間巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果

21071工作面回采期間,在回風(fēng)巷中距工作面120 m處布置第一組巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平繙y(cè)站,沿巷道遠(yuǎn)離工作面方向間隔5 m再布設(shè)一組測(cè)站,對(duì)回風(fēng)巷頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行觀測(cè),并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、整理和分析,繪出了回風(fēng)巷表面位移與距工作面煤壁距離關(guān)系圖,如圖8所示。由圖8可知,在距工作面煤壁0～25 m范圍內(nèi),頂?shù)装逡平枯^大,均在50 mm以上,最大值為155 mm;在距工作面煤壁0～20 m范圍內(nèi),巷道兩幫移近量均在35 mm以上,最大的65 mm。巷道在回采期間的變形量能滿足礦井正常生產(chǎn)要求,不需要返修。

圖8 工作面回采時(shí)的巷道表面位移量

5 結(jié)論

(1)當(dāng)煤層工作面回采完畢時(shí),沿該工作面穩(wěn)定采空區(qū)邊緣存在應(yīng)力卸載帶,在此范圍內(nèi)留設(shè)小煤柱沿空掘巷較為合適;在該礦地質(zhì)賦存條件下,卸載帶寬度為8 m左右。

(2)大傾角煤層預(yù)留小煤柱沿空掘巷時(shí),梯形巷道頂板變形量由實(shí)體煤側(cè)向窄煤柱側(cè)逐漸減小,而底板變形量則相反,靠近實(shí)體煤部分底板變形量很小,靠近窄煤柱側(cè)變形量較大;巷道兩幫變形量由底板向頂板逐漸增大。綜合分析不同煤柱寬度下巷道變形情況,確定煤柱寬度為5 m,與理論計(jì)算相符。

(4)該礦大傾角煤層沿空掘巷預(yù)留小煤柱寬度為5 m時(shí),掘進(jìn)時(shí)巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟肯鄬?duì)較小,煤柱有應(yīng)力集中現(xiàn)象,但不明顯;回采期間巷道變形量能滿足礦井正常生產(chǎn)要求,無需返修。

[1] 高浩,崔廷峰,張魁等.留小煤柱沿空掘巷技術(shù)[J].煤礦安全,2012(4)

[2] 于洋,柏建彪,陳科等.綜采工作面沿空掘巷窄煤柱合理寬度設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].煤炭工程,2010 (7)

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

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

國(guó)家發(fā)改委:“一帶一路”應(yīng)基建優(yōu)先

“‘一帶一路’戰(zhàn)略構(gòu)想,其內(nèi)涵之一就是打造現(xiàn)代版的互聯(lián)互通?！眹?guó)家發(fā)改委副主任何立峰日前表示,互聯(lián)互通應(yīng)該是基礎(chǔ)設(shè)施、制度規(guī)章、人員交流三位一體。其中,基礎(chǔ)設(shè)施是基礎(chǔ),也是目前制約沿線國(guó)家深化合作的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)作為“一帶一路”的優(yōu)先領(lǐng)域。

他強(qiáng)調(diào),一方面應(yīng)把交通基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通作為突破口,另一方面是能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)謀求輸油輸氣管道等運(yùn)輸通道排阻,推進(jìn)跨境輸電通道、跨境光纜的建設(shè)。

談及“一帶一路”推進(jìn)過程中如何落實(shí)與沿線國(guó)家商簽自貿(mào)協(xié)定的部署,商務(wù)部部長(zhǎng)高虎城表示,“一帶一路”戰(zhàn)略倡議中的一個(gè)重要內(nèi)容就是以周邊為依托,推動(dòng)建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的自貿(mào)區(qū)網(wǎng)絡(luò),推動(dòng)貿(mào)易的便利化和投資自由化,創(chuàng)造更好的制度安排和政策環(huán)境。

Research and application of the coal pillar size of gob-side entry driving in deeply inclined coal seam

Heng Duo1,Wang Pengxiang1,Ma Wenqiang2,Jiang Jiaojiao3
(1.Henan Yongjin Energy Co.,Ltd.,Yuzhou,Henan 461670,China; 2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China; 3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

To ascertain the reasonable width of coal pillar of gob-side entry driving in deeply inclined coal seam,theoretical calculation was applied to analyze the width of the protection coal pillar;the deformation of roadway and the stress on coal pillar under the conditions of different pillar width were simulated by UDEC and the results showed that the reasonable width of coal pillar through theoretical calculating was supposed to be 5 meters.According to the support pressure distribution,deformation of roadway and the condition of coal pillar stress concentration in comprehensive numerical simulation,the pillar width was 5 meters,which conformed to the theoretical calculation.Applying the results to the return airway of 21071 working face,the deformation of roadway could meet the requirement of the regular production of the mine without repair during the mining period.

deeply inclined coal seam,mining face,gob-side entry driving,coal pillar width,numerical simulation

TD 325

A

衡多(1989－),男,河南西平人,助理工程師,本科學(xué)歷,現(xiàn)于河南省禹州市永錦能源有限公司生產(chǎn)技術(shù)部從事煤礦生產(chǎn)工作。