某礦區(qū)綜放工作面預(yù)留煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

杜 飛 王龍飛 王 海

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

某礦區(qū)綜放工作面預(yù)留煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

杜 飛 王龍飛 王 海

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

結(jié)合某礦區(qū)綜放工作面回采巷道現(xiàn)場實(shí)際情況，基于預(yù)留煤柱寬度理論分析，依托預(yù)留煤柱寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，提出了該礦區(qū)綜放工作面預(yù)留煤柱寬度計(jì)算公式，通過對(duì)比分析數(shù)值模擬與理論計(jì)算結(jié)果，將該礦區(qū)原有預(yù)留煤柱寬度60 m優(yōu)化至52 m，中間灌漿巷距離兩條巷道凈距均為23.7 m，大大提高了該礦煤炭回采率。

綜放工作面，煤柱寬度，數(shù)值模擬，理論計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

我國厚煤層儲(chǔ)量占煤炭比重接近一半。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，就我國目前綜放式開采技術(shù)而言，開采時(shí)煤炭損失率已超過煤炭總量一半，而這部分中煤柱又占到接近一半。煤柱寬度越大，煤炭損失越嚴(yán)重[1，2]。因而，是否能有效減少煤柱寬度，對(duì)煤炭回采率將至關(guān)重要[3，4]。但若煤柱寬度選擇過小，難以保證巷道正常運(yùn)營，而且對(duì)安全生產(chǎn)造成較大隱患，因此大多數(shù)煤礦煤柱留設(shè)寬度都較為保守[5,6]。也導(dǎo)致我國煤柱寬度優(yōu)化研究發(fā)展緩慢[7，8]。

論文對(duì)某礦回采工作面間預(yù)留煤柱寬度進(jìn)行深度分析，得到合理的煤柱寬度，在保證該礦安全回采的前提下大大提高了煤炭回采率。

1 煤柱寬度的影響因素

煤柱的寬度是影響煤柱穩(wěn)定性及巷道維護(hù)的主要因素。煤柱的作用是保證工作面能夠正常安全回采，根據(jù)這一特性確定影響其寬度的因素有采深、煤巖界面內(nèi)摩擦角及粘聚力、煤層厚度、支護(hù)阻力、頂板應(yīng)力增高系數(shù)等。

1)一般情況下，回采深度越大，應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度也隨之增大，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，煤層埋深在450 m以內(nèi)時(shí)，應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度增大速度相對(duì)較快，但當(dāng)煤層埋深超過450 m后，其寬度變化率基本呈直線增長。

2)界面內(nèi)摩擦角及粘聚力對(duì)應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍影響較大，界面的內(nèi)摩擦角及粘聚力只與煤及頂、底板巖石的力學(xué)性質(zhì)及平整度有關(guān)，與其自身的內(nèi)部裂隙發(fā)育程度關(guān)系不是很大。

3)煤層厚度對(duì)應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍也有較大影響，當(dāng)煤層厚度較薄時(shí)，應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍很小，隨著煤層厚度的增大，在同樣條件下，應(yīng)力極限平衡區(qū)的范圍也隨之有所增大，因此對(duì)厚煤層、強(qiáng)度低的煤層巷道一定要加強(qiáng)支護(hù)。

4)支護(hù)阻力不能減小應(yīng)力極限平衡區(qū)的范圍，但對(duì)于較軟的煤層，煤層與頂?shù)装逭尘哿^小時(shí)，提高支護(hù)阻力可以有效的保證回采巷道的穩(wěn)定性。

5)對(duì)于受綜放工作面回采動(dòng)壓影響的巷道來說，應(yīng)力集中系數(shù)呈增大趨勢，巷道兩側(cè)也隨之破壞，必需根據(jù)具體情況進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

在進(jìn)行煤柱寬度設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮以上各種因素，此外，煤柱的強(qiáng)度不僅取決于煤柱的邊界條件和力學(xué)性質(zhì)，還取決于煤柱自身幾何尺寸和形狀。因此，煤柱破壞的主要原因是由于設(shè)計(jì)不合理而引起煤柱上方支承壓力過大，最終導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)破壞。

2 預(yù)留煤柱寬度理論分析

綜放工作面區(qū)段煤柱寬度合理留設(shè)原則：保證巷道圍巖變形滿足生產(chǎn)要求；保證巷道支護(hù)系統(tǒng)具有良好的整體支護(hù)性能；保證煤柱及巷道處于較低的應(yīng)力環(huán)境；預(yù)留煤柱尺寸應(yīng)保證煤炭安全回采，保證防火及隔離采空區(qū)需要；保證煤炭回采率。

依據(jù)區(qū)段煤柱寬度合理留設(shè)原則，結(jié)合該礦實(shí)際情況，由于該礦預(yù)留煤柱寬度多達(dá)60 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷煤柱寬度大于回采引起的支承壓力影響距離的2倍，加上煤柱中間開設(shè)灌漿巷引起的塑性變形區(qū)。

因此，該礦預(yù)留煤柱寬度計(jì)算公式應(yīng)為：

B=2x0+2m+x1

(1)

式中：x0——極限平衡區(qū)寬度，m；

m——煤層開采厚度，m；

x1——灌漿巷寬度與其開挖產(chǎn)生的塑性變形區(qū)寬度之和，m。

3 預(yù)留煤柱寬度數(shù)值模擬分析

3.1 模擬工況

該礦區(qū)段煤柱寬度為60 m，針對(duì)該礦實(shí)際情況進(jìn)行煤柱寬度優(yōu)化，建立4種不同工況進(jìn)行模擬，分析對(duì)比不同寬度煤柱塑性區(qū)寬度的變化情況，并分析開挖灌漿巷對(duì)煤柱塑性區(qū)寬度的影響，最終達(dá)到優(yōu)化煤柱寬度的目的。

1)煤柱寬度為55 m，相鄰采區(qū)寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m；2)煤柱寬度為60 m，相鄰采區(qū)寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m；3)煤柱寬度為65 m，相鄰采區(qū)寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m；4)煤柱寬度為60 m，煤柱正中央開始有巷道；相鄰采區(qū)寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m。

3.2 模擬方案

此次模擬建立二維模型；約束條件取四周邊界為法向約束，下部邊界取全約束邊界，上部邊界不約束，為自由邊界；采用摩爾—庫侖強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算中在區(qū)段煤柱內(nèi)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測煤柱豎向應(yīng)力。

3.3 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬針對(duì)四種不同情況分別建立數(shù)值模擬模型。模擬計(jì)算以現(xiàn)場回采實(shí)際情況為準(zhǔn)，先計(jì)算未開挖時(shí)在原巖應(yīng)力作用下其豎向應(yīng)力分布狀態(tài)，然后進(jìn)行巷道開挖，開挖完成后進(jìn)行回采，回采時(shí)頂部巖體垮落，最終巷道不再變形終止計(jì)算。對(duì)四種不同情況下豎向應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測，得到不同煤柱寬度回采時(shí)，其豎向應(yīng)力的影響范圍，綜合對(duì)比得到合理的煤柱寬度。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果圖1a)顯示可知，在回采巷道頂角處巷道豎向應(yīng)力最大。而在回采巷道兩邊，隨著距離回采巷道越遠(yuǎn)，煤柱豎向應(yīng)力逐步增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)10 m處，達(dá)到最高點(diǎn)，然后隨著距離回采巷道越遠(yuǎn)，煤柱豎向應(yīng)力逐步減小，圖示兩邊對(duì)稱，變化趨勢相同。根據(jù)極限平衡區(qū)理論分析，該變化趨勢與理論相符。其他兩種情況與該圖變化基本一致，均在距離回采巷道10 m處煤柱受力最大，只是煤柱寬度不一樣，其最大應(yīng)力不同而已，但其變化趨勢相同。

由圖1b)顯示可知，如果煤柱中央開挖其他巷道，其煤柱受力最大位置依然不變在距離回采巷道10 m處，但由于其中間開挖巷道，導(dǎo)致中間巷道周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，而且距離巷道5 m～8 m范圍，應(yīng)力處于增大狀態(tài)。

根據(jù)上述表述可知，依托極限平衡區(qū)理論分析，認(rèn)為如果煤柱中央開挖巷道則對(duì)煤柱兩側(cè)的回采巷道產(chǎn)生的塑性變形區(qū)沒有影響(煤柱寬度較大)，而是在煤柱中間位置又產(chǎn)生新的塑性變形區(qū)，由于巷道斷面較小，所以其新的塑性變形區(qū)影響范圍也較小。

綜上所述可知，該礦煤柱寬度應(yīng)為B=2×10+2×8+10=46 m，取安全系數(shù)K=1.15，則煤柱寬度為KB=1.15×46=52.9 m。

利用FLAC3D建立了區(qū)段煤柱寬度二維仿真計(jì)算模型，主要分析了三種不同煤柱寬度和有無灌漿巷的煤柱塑性區(qū)寬度。經(jīng)過數(shù)值模擬分析得到煤柱寬度為52.9 m。

4 預(yù)留煤柱寬度計(jì)算分析

根據(jù)理論分析，結(jié)合該煤礦實(shí)際情況，煤柱寬度計(jì)算參數(shù)選取見表1。

表1 煤柱寬度計(jì)算參數(shù)選取

(2)

黃泥灌漿巷開挖產(chǎn)生的塑性變形區(qū)寬度x1計(jì)算：

(3)

(4)

h=R-a=x1-a=1.14 m

(5)

區(qū)段煤柱寬度：B=2x0+2m+x1=47.12 m，取安全系數(shù)K=1.15，則煤柱寬度54.19 m。

數(shù)值模擬計(jì)算煤柱寬度為52.9 m，理論計(jì)算得到煤柱寬度應(yīng)為54.19 m，兩者相差較小，為保證該礦正常安全回采，保守估計(jì)選擇煤柱寬度較寬的作為實(shí)際煤柱寬度，故最終確定煤柱寬度為54.19 m。

5 結(jié)語

1)基于綜放工作面區(qū)段煤柱預(yù)留寬度留設(shè)原則，結(jié)合該礦現(xiàn)場實(shí)際情況，根據(jù)區(qū)段煤柱保持巷道穩(wěn)定性的基本條件得到區(qū)段煤柱預(yù)留寬度計(jì)算公式B=2x0+2m+x1。

2)根據(jù)該礦區(qū)實(shí)際情況，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到該礦煤柱寬度為52.9 m時(shí)可以保證安全回采。

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用煤柱寬度計(jì)算公式計(jì)算出該礦煤柱寬度為54.19 m時(shí)可保證安全回采。

4)為保證該礦安全回采，建議將其煤柱寬度設(shè)為55 m，這樣不僅大大提高了煤炭回采率，同時(shí)仍可以保證安全回采。

[1] 奚家米,毛久海,楊更社,等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(4):400-403.

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Research on optimal design for prearranged pillars at fully mechanized caving face of some mining area

Du Fei Wang Longfei Wang Hai

(Xi’anResearchInstituteCo.,Ltd,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Xi’an710077,China)

Combining with the mining roadway sites at the fully mechanized caving face of some mining area, the paper is based on the optimal design principle for the width of the prearranged pillars based on the theoretic analysis of the prearranged pillar width theory, points out the formula for the width calculation of the pillars at the fully mechanized caving face of the mining area, undertakes the comparative analysis of the numeric simulation and theoretic calculation, optimized the width of the prearrange pillar from 60 m to 52 m and the net distance between the middle grouting road and the two roadways is 23.7 m at the area, so as to improve the mining ratio of the mining area.

fully mechanized caving face, coal pillar width, numeric simulation, theoretic calculation, optimal design

2015-08-26

杜 飛(1988- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)31-0091-02

TD822

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