采空區(qū)下薄煤層綜采工作面護(hù)巷煤柱合理寬度研究

魏希杰，范小娟，曹 龍，張 濤，李明哲

（神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)電部，陜西 榆林 719300）

采空區(qū)下薄煤層綜采工作面護(hù)巷煤柱合理寬度研究

魏希杰，范小娟，曹 龍，張 濤，李明哲

（神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)電部，陜西 榆林 719300）

為研究近距離淺埋煤層群下部薄煤層回采過程中護(hù)巷煤柱的寬度，以涼水井礦431盤區(qū)工作面護(hù)巷煤柱為研究對象，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，研究了不同煤柱寬度對煤柱穩(wěn)定性的影響，為類似開采條件下的煤柱留設(shè)提供了參考。

護(hù)巷煤柱；薄煤層；淺埋煤層；近距離煤層

近年來隨著煤炭資源的高速開采，我國許多礦井厚煤層資源逐漸趨于匱乏，為了延長礦井的開采年限節(jié)約煤炭資源，許多礦井開始進(jìn)行薄煤層的開采[1-3]。陜西匯森煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司涼水井煤礦目前主采4-2煤層，4-2煤層工作面生產(chǎn)能力在600萬t/a左右，為了達(dá)到礦井?dāng)U建后800萬t/a的開采規(guī)模，礦井計(jì)劃在4-3煤層布設(shè)薄煤層工作面對4-2煤層進(jìn)行配采。為了實(shí)現(xiàn)對4-3煤層的安全高效開采，需要合理的設(shè)計(jì)工作面的護(hù)巷煤柱。護(hù)巷煤柱的寬度是工作面的重要參數(shù)之一，要求護(hù)巷煤柱的寬度不僅能提高煤炭的采出率，而且要保證工作面在回采過程中煤柱能保持穩(wěn)定。為了確定合理的煤柱寬度，采用理論分析和數(shù)值模擬兩種方法進(jìn)行研究。

1 工程地質(zhì)條件

涼水井礦4-3煤層431盤區(qū)位于4-2煤層421盤區(qū)正下方，兩煤層平均間距為24.92 m，上部421盤區(qū)已基本回采完成，殘留的工作面保護(hù)煤柱為15 m。431盤區(qū)煤質(zhì)以暗煤、亮煤為主，煤層內(nèi)生裂隙不甚發(fā)育，外生裂隙常被方解石脈及黃鐵礦薄膜充填，煤層厚度1.05～1.4 m，平均1.14 m，傾角為0° ～1°，屬近水平煤層，密度為1.29 t/m3，煤層普氏硬度為3，煤層埋深103～190 m，平均142 m，基載比小于1，屬于典型的淺埋煤層；頂板以細(xì)粒砂巖為主，粉砂巖和中砂巖次之，單軸抗壓強(qiáng)度為50～70 MPa，巖性較穩(wěn)定。底板以粉砂巖為主，局部為細(xì)粒砂巖或泥巖，厚度0.66～14.25 m，偶見泥巖底板，底板單軸抗壓強(qiáng)度為50～70 MPa，較為堅(jiān)硬。

2 理論分析

護(hù)巷煤柱受回采巷道及采空區(qū)的影響，煤柱邊緣區(qū)的煤體會(huì)受到不同程度的破壞，在采空區(qū)和回采巷道形成后，應(yīng)力會(huì)不斷的向煤柱深部發(fā)展，直到煤柱的承載強(qiáng)度和支承壓力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，煤柱就處于穩(wěn)定的狀態(tài)，見圖1。護(hù)巷煤柱兩側(cè)分別為采空區(qū)和回采巷道，在采空區(qū)一側(cè)護(hù)巷煤柱形成塑性變形區(qū)x0，在回采巷道一側(cè)形成塑性變形區(qū)x1。煤柱寬度的確定原則是在保證煤柱及回采巷道穩(wěn)定的前提下，最大程度的提高煤炭采出率。

研究表明[4-8]：區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是要使得護(hù)巷煤柱煤柱中央存在一定寬度的彈性核并且彈性核的寬度一般不小于護(hù)巷煤柱高度的1～ 2倍。由于4-3煤上部的4-2煤層已經(jīng)回采，因此考慮到上部煤層開采殘留煤柱的影響，取彈性核的寬度為開采厚度的2倍。綜合得到區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度表示為：式中：B為煤柱合理寬度，m；x0為采空區(qū)在區(qū)段煤柱一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m；h為煤柱高度即回采巷道高度，取2.25 m；x1為巷道在區(qū)段煤柱另一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m。

運(yùn)用巖體的極限平衡理論得采空區(qū)形成的塑性區(qū)寬度x0為：式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，取3.5；P為支架對煤幫的阻力，取0.1 MPa；M為采高，取1.4 m；C為煤體的粘聚力，取2.2 MPa；H為煤層埋深，取142 m；f為煤層與頂?shù)装迥Σ烈驍?shù)，取0.25為煤體的內(nèi)摩擦角，取33°；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)。

同樣地運(yùn)用極限平衡理論巷道形成的塑性區(qū)寬度x1為:

式中：α、k為廣義Mises準(zhǔn)則系數(shù)，

結(jié)合431盤區(qū)工作面條件，已知巖層容重γ取2.5 kN/m3，C為2.2 MPa，帶入公式得出：當(dāng)煤柱寬度不小于9.4 m時(shí)，煤柱實(shí)際承受的載荷低于極限載荷，煤柱不會(huì)失穩(wěn)。

3 數(shù)值模擬

利用FLAC3D模擬軟件分析區(qū)段煤柱中應(yīng)力分布及應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而確定合理的區(qū)段煤柱尺寸。

1）模型建立:根據(jù)涼水井4-3煤層地質(zhì)條件，模型尺寸（長×寬×高）為200 m×1 m×180 m，模型如圖2所示。模擬過程中，4-2煤層殘留煤柱為15 m，左側(cè)70 m和右側(cè)115 m為采空區(qū)，模型左右施加位移邊界條件；模型高度為180 m，由工作面老底延伸至地表，模型上部邊界初始應(yīng)力為0 MPa，下部施加位移邊界條件，模型前后選擇位移邊界條件，采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，依據(jù)問題的需要，煤柱寬度模擬方案分別為5 m、10 m、15 m、20 m。

2）模擬結(jié)果分析:上部4-2煤開采后，下部431盤區(qū)薄煤層工作面護(hù)巷煤柱左側(cè)工作面已回采右側(cè)為回采巷道，右側(cè)回采巷道右?guī)偷綄?shí)體煤應(yīng)力分布曲線如圖3所示，區(qū)段煤柱寬度為5 m時(shí)，右側(cè)巷道右?guī)蛯?shí)體煤中應(yīng)力峰值為5.45 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.65，影響范圍約8 m，應(yīng)力峰值隨區(qū)段煤柱尺寸增大而減小，其中區(qū)段煤柱寬度由5 m增加到10 m時(shí)應(yīng)力峰值下降最大，其次是10 m增加到15 m時(shí)，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度由15 m增加到20 m時(shí)應(yīng)力峰值基本保持不變，說明區(qū)段煤柱寬度為15 m后增加煤柱寬度對右側(cè)巷道右?guī)蛯?shí)體煤應(yīng)力峰值無太大影響。

不同區(qū)段煤柱寬度條件下煤柱內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，見圖4。

不同區(qū)段煤柱寬度條件下，區(qū)段煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布曲線，見圖5。

a.隨著區(qū)段煤柱寬度的增加，區(qū)段煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力曲線由單峰線逐漸向雙峰線過渡。在區(qū)段煤柱尺寸為5 m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)部只有一個(gè)應(yīng)力峰值點(diǎn)，根據(jù)煤柱的失穩(wěn)原則，區(qū)段煤柱中沒有彈性核區(qū)，區(qū)段煤柱中塑性區(qū)發(fā)育范圍達(dá)到最大，煤柱處于失穩(wěn)狀態(tài)，巷道維護(hù)難度最大；區(qū)段煤柱尺寸增加到10 m，區(qū)段煤柱應(yīng)力曲線開始轉(zhuǎn)為雙峰線，隨著區(qū)段煤柱寬度的持續(xù)增加，區(qū)段煤柱內(nèi)部彈性區(qū)域逐漸增大，有利于區(qū)段煤柱的整體穩(wěn)定。

b.區(qū)段煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值位置偏向煤柱左側(cè)，應(yīng)力分布曲線為雙峰線條件下，左側(cè)應(yīng)力峰值位置距離左側(cè)巷道保持在3～4 m左右，應(yīng)力峰值的大小隨著煤柱尺寸的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；右側(cè)應(yīng)力峰值大小隨著區(qū)段煤柱尺寸的增加變化較小；區(qū)段煤柱內(nèi)部左側(cè)應(yīng)力峰值較右側(cè)稍大，分析是由于受到上部4-2煤層殘留煤柱以及本煤層工作面鄰近工作面已回采的影響；由煤柱內(nèi)部應(yīng)力曲線圖可知當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值較大，當(dāng)煤柱寬度增加到10 m時(shí)煤柱應(yīng)力峰值明顯減小，并且應(yīng)力分布近似呈現(xiàn)“馬鞍形”分布，當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增加到15 m與20 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值變化不大應(yīng)力分布呈現(xiàn)“馬鞍形分布”，因此知當(dāng)煤柱寬度小于10 m時(shí)隨著區(qū)段煤柱尺寸的增加煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中程度降低。

根據(jù)以上數(shù)值模擬分析結(jié)果，區(qū)段煤柱的尺寸應(yīng)超過10 m，能夠保證煤柱內(nèi)部的彈性區(qū)域，降低巷道的維護(hù)難度。綜合理論分析及數(shù)值模擬確定的區(qū)段煤柱尺寸如表1所示。

理論分析及數(shù)值模擬是區(qū)段煤柱寬度留設(shè)的一般性方法，巷道維護(hù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)根據(jù)后期的巷道支護(hù)質(zhì)量及巷道頂?shù)装宓膰鷰r變形觀測結(jié)果，對巷道支護(hù)參數(shù)及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整。4-3煤層埋藏較淺，上覆基巖層厚度較小，松散層厚度較大，基載比小于1，屬淺埋煤層，421盤區(qū)工作面在回采期間經(jīng)常出現(xiàn)動(dòng)載礦壓工作面支架經(jīng)常出現(xiàn)壓架事故，因此在確定431盤區(qū)工作面煤柱寬度時(shí)，要考慮到動(dòng)載礦壓的影響。在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)421盤區(qū)工作面動(dòng)壓監(jiān)測結(jié)果取富余系數(shù)為1.5，選擇理論分析及數(shù)值模擬兩者中的較大值，確定雙巷布置條件下區(qū)段煤柱寬度為15 m。

4 結(jié)論

以涼水井煤礦431盤區(qū)薄煤層綜采工作面護(hù)巷煤柱的合理確定為工程背景，采用理論分析與數(shù)值模擬兩種方法進(jìn)行研究，得到了如下結(jié)論：

1）當(dāng)護(hù)巷煤柱的寬度不小于9.4 m時(shí)，煤柱穩(wěn)定相較好；通過FLAC3D模擬了不同煤柱寬度下回采巷道側(cè)向支撐壓力分布以及煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布，模擬結(jié)果顯示當(dāng)煤柱寬度大于等于10 m后，隨著煤柱寬度的增加，回采巷道側(cè)向支承壓力峰值與煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值變化均較小，并且當(dāng)煤柱寬度不小于10 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈“馬鞍形”分布，煤柱穩(wěn)定性較好。

2）考慮到431盤區(qū)工作面煤層埋藏較淺以及受到上部421回采的影響，在計(jì)算結(jié)果上取1.5的富余系數(shù)，最終確定工作面護(hù)巷煤柱的寬度為15 m。

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Reasonable Width of Chain Pillars on Fully-mechanized Mining Face of Thin Coal Seams under Gob

WEI Xijie,FAN Xiaojuan,CAO Long,ZHANG Tao,LI Mingzhe
(Electrical and Mechanical Department,Shenmu Huiseng Liangshuijing Mining Co.,Ltd.,Yulin 719300,China)

To determine the width of chain pillars in the caving process of thin coal seams of the lower part of close distance shallow seam group,taking the chain pillars of No.431 panel working face of Liangshuijing Mine as the study object,the effect of different width of pillars on the stability was studied by theoretical analysis and numerical simulation,which could be useful for the coal pillars in the similar mining condition.

chain pillars;thin coal seams;shallow seams;close distance seams

TD822.3

A

1672-5050（2015）01-0066-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.022

（編輯：樊敏）

2014-12-05

魏希杰（1986-），男，河北唐山人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦井下機(jī)械設(shè)備的管理工作。