孤島工作面煤柱合理尺寸研究與應(yīng)用

彭志剛

(西山煤電集團(tuán)公司 西曲礦，山西 古交 030200)

·試驗(yàn)研究·

孤島工作面煤柱合理尺寸研究與應(yīng)用

彭志剛

(西山煤電集團(tuán)公司 西曲礦，山西 古交 030200)

孤島工作面巷道圍巖應(yīng)力集中程度較高，回采巷道支護(hù)困難。以某礦30222孤島工作面回采巷道為背景，結(jié)合理論和UDEC數(shù)值模擬，分析了該孤島工作面巷道圍巖應(yīng)力分布特征。研究表明：由于孤島工作面圍巖應(yīng)力相對(duì)常規(guī)工作面增大，通過(guò)力學(xué)模型計(jì)算并結(jié)合數(shù)值模擬分析，留設(shè)6 m窄煤柱能夠使圍巖處于較穩(wěn)定的狀態(tài)；工程實(shí)踐表明，采用錨網(wǎng)索加注漿加固能夠較好的控制巷道圍巖變形。

孤島工作面；煤柱寬度；UDEC數(shù)值模擬；礦壓觀測(cè)

孤島工作面通常面臨圍巖應(yīng)力集中程度高、煤體破碎、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等問題[1-3]. 高應(yīng)力狀態(tài)下巷道支護(hù)是孤島工作面面臨的主要問題。

本文以某煤礦3#煤二采區(qū)孤島工作面回風(fēng)巷道為工程背景，通過(guò)分析孤島工作面圍巖應(yīng)力特征，研究了巷道頂板結(jié)構(gòu)及煤柱的受載，推導(dǎo)孤島工作面高應(yīng)力條件下煤體塑性區(qū)計(jì)算方法，并結(jié)合UDEC數(shù)值模擬結(jié)果，確定合理的窄煤柱寬度。提出孤島工作面回采巷道的支護(hù)方案并進(jìn)行工程驗(yàn)證。研究結(jié)果為孤島工作面回采巷道煤柱留設(shè)提供參考。

1 孤島工作面概況

某煤礦3#煤平均埋深413 m，煤層厚度平均6.82 m，采用綜放工藝進(jìn)行回采，采高3.0 m. 30222工作面位置示意圖見圖1，北鄰30223采空區(qū)，南鄰30221采空區(qū)，西為實(shí)體煤，東接302采區(qū)皮帶下山。

圖1 30222工作面位置示意圖

在回風(fēng)大巷采用應(yīng)力解除法進(jìn)行了原巖應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)附近無(wú)地質(zhì)構(gòu)造。測(cè)試結(jié)果表明：在無(wú)地質(zhì)構(gòu)造和采動(dòng)影響區(qū)域，垂直應(yīng)力均值為12.03 MPa，與按自重計(jì)算的垂直應(yīng)力11.15 MPa基本相當(dāng)。而對(duì)于孤島工作面回采巷道，由于其兩側(cè)均已采空，工作面需分擔(dān)兩側(cè)采空區(qū)部分覆巖重量，造成孤島工作面應(yīng)力集中程度升高，導(dǎo)致巷道頂板和兩幫變形較大。

為了弄清孤島工作面圍巖應(yīng)力集中程度，采用ANZI型地應(yīng)力傳感器對(duì)孤島工作面巷道圍巖進(jìn)行了次生應(yīng)力實(shí)測(cè),其測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)定結(jié)果見圖2，表1.

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

測(cè)點(diǎn)水平距離/m垂直距離/m水平應(yīng)力/MPa垂直應(yīng)力/MPa110.39.719.5525.3624.23.88.5610.7833.64.15.578.2145.49.36.3210.62

分析表1可知，孤島工作面回采巷道圍巖應(yīng)力集中程度較高。圖2中1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于側(cè)向支承壓力峰值附近，其垂直應(yīng)力可達(dá)25.36 MPa，為原巖應(yīng)力的兩倍以上。2號(hào)、3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于巷道表面附近，由于巷道表面發(fā)生塑性破壞，圍巖中垂直應(yīng)力接近原巖應(yīng)力。而4號(hào)測(cè)點(diǎn)由于側(cè)向關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)擠壓，也進(jìn)入塑性區(qū)，應(yīng)力降低。

孤島工作面懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖見圖3. 由圖3分析可知，工作面兩側(cè)煤體被采空后，采空區(qū)頂板垮落、下沉。除了碎脹矸石會(huì)對(duì)覆巖起到一定的支撐作用外，采空區(qū)兩側(cè)實(shí)體煤會(huì)分擔(dān)采空區(qū)覆巖荷載。

圖3 孤島工作面懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖

因此，相比普通回采巷道，孤島工作面巷道圍巖應(yīng)力集中程度高，需考慮圍巖中應(yīng)力增加的情況。

2 孤島工作面結(jié)構(gòu)分析

研究表明[4，5]，長(zhǎng)壁工作面頂板破斷呈“O-X”破斷，工作面?zhèn)认蝽敯鍞嗔盐恢靡妶D3，基本頂側(cè)向存在3種破斷位置，即破斷線在煤壁內(nèi)(Ⅰ)、破斷線在煤壁上方(Ⅱ)、破斷線在煤壁外(Ⅲ)。其相應(yīng)的鉸接點(diǎn)位置如圖3所示。通常基本頂側(cè)向破斷會(huì)在煤壁內(nèi)2～3 m，本次取破斷線位于煤壁內(nèi)3 m進(jìn)行分析，即圖3中Ⅰ所示位置。

孤島工作面回采巷道掘進(jìn)時(shí)，相鄰工作面已回采結(jié)束，其頂板已垮落穩(wěn)定。由于孤島面應(yīng)力集中程度較高，煤柱寬度通常大于5 m(小于5 m認(rèn)為是無(wú)煤柱護(hù)巷)，因此巷道通常位于基本頂懸臂梁下方，而護(hù)巷煤柱除了受孤島面高應(yīng)力的影響，還會(huì)承擔(dān)一部分弧形三角板的載荷，應(yīng)當(dāng)綜合考慮這兩方面因素合理設(shè)計(jì)煤柱留設(shè)方式。

3 煤柱寬度確定

煤體的彈塑性變形的應(yīng)力分布見圖4. 如圖4所示，將巷道布置在塑性區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)煤層中鉛垂應(yīng)力較小且煤柱寬度較小[6，7].

1—彈性應(yīng)力分布 2—彈塑形應(yīng)力分布Ⅰ—破裂區(qū) Ⅱ—塑性區(qū) Ⅲ—彈性區(qū)應(yīng)力升高部分 Ⅳ—原始應(yīng)力區(qū)圖4 煤體的彈塑性變形的應(yīng)力分布圖

塑性區(qū)的寬度X0(m)為：

(1)

式中：

M—采高，m，割煤高度取3.0，放煤高度取3.82，按頂煤回收率70%計(jì)算可得等效采高取5.67；

A—側(cè)壓系數(shù)，A=u/(1-u)，其中u為泊松比，取0.28；

φ0—煤體的內(nèi)摩擦角，(°)，取20.3；

C0—煤體內(nèi)聚力，MPa，取1.2；

K—應(yīng)力集中系數(shù)，取4；

γ—覆巖容重，MN/m3，取0.027；

H*—等效埋深，m，取761；

PZ—支護(hù)阻力，MPa，取0.

代入式(1)可得，X0=9.8 m，即支承壓力峰值位于煤壁內(nèi)9.8 m處，為將煤柱留設(shè)在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)煤柱寬度小于X0的2/3，故煤柱寬度需小于6.5m，現(xiàn)場(chǎng)采用6m窄煤柱進(jìn)行支護(hù)。

采用UDEC軟件建立孤島工作面覆巖運(yùn)動(dòng)模型，模型走向長(zhǎng)度為200m，垂直高度為60m，巷道尺寸為寬4.7m×高3.0m，主要研究孤島工作面不同煤柱寬度條件下巷道圍巖破壞場(chǎng)位演化特征，見圖5.

圖5 不同寬度煤柱圍巖破壞場(chǎng)分布規(guī)律圖

從圖5可以看出，孤島工作面巷道在留設(shè)6m小煤柱的情況下，巷道圍巖完整性好，煤巷處于較穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度增加到10m、15m時(shí)，圍巖穩(wěn)定性較差，煤柱處于高應(yīng)力條件下易變形失穩(wěn)；當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增加，達(dá)到20m時(shí)，煤柱支撐能力增加，煤柱穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)，但是較寬的煤柱尺寸容易造成煤炭資源的浪費(fèi)，可見留設(shè)6m小煤柱最合理。

4 現(xiàn)場(chǎng)效果分析

回風(fēng)平巷沿煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，巷道凈斷面尺寸為寬4.7m×高3.0m. 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案為：錨網(wǎng)支護(hù)+錨索補(bǔ)強(qiáng)+噴漿+注漿聯(lián)合支護(hù)。

孤島工作面煤柱寬度已確定現(xiàn)場(chǎng)選擇支護(hù)方式時(shí)參照相鄰工作面的支護(hù)加大支護(hù)密度，在采空側(cè)布置錨索，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行注漿加固，巷道支護(hù)及加固方案如下：

頂錨桿采用桿體為d20mm高強(qiáng)左旋螺紋鋼，長(zhǎng)度為2 400mm，錨桿間排距800mm；頂錨索長(zhǎng)9.3m，采用d17.8mm的鋼絞線，小三花布置，排距800mm；幫錨桿每排4根，間排距800mm；幫錨索布置在采空區(qū)一側(cè)巷幫，每排兩根，間距1 300mm，排距1 600mm，長(zhǎng)5.0m錨索；鋼筋托梁用d14mm的鋼筋焊接而成，寬度90mm. 注漿深度3.5m，注漿壓力1.0～1.5MPa，漿液擴(kuò)散半徑1.0～1.5m，采取間隔交替注漿方式，注漿孔排距0.8m，孔深2.5m，見圖6.

圖6 回采巷道支護(hù)布置圖

圖7對(duì)比分析了孤島工作面與相鄰巷道支護(hù)效果，可以看出，現(xiàn)場(chǎng)采用6m窄煤柱并進(jìn)行合理支護(hù)能夠?qū)ο锏雷冃芜M(jìn)行較好的控制且巷道變形量與相鄰工作面相近。

圖7 表面位移觀測(cè)結(jié)果圖

5 結(jié) 論

孤島工作面煤體需分擔(dān)兩側(cè)采空區(qū)覆巖荷載，導(dǎo)致孤島面煤體中應(yīng)力升高，回采巷道采用常規(guī)支護(hù)巷道變形、破壞嚴(yán)重。孤島面回采巷道煤柱留設(shè)時(shí)，考慮煤體中應(yīng)力升高和弧形三角板結(jié)構(gòu)的共同作用，設(shè)計(jì)煤柱寬度6m. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采用6m窄煤柱及錨網(wǎng)索加注漿加固，巷道變形得到了較好控制。

[1] 秦忠誠(chéng)，王同旭.深井孤島綜放工作面跨采軟巖巷道合理支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31(5)：7-10.

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[7] 周 舟.厚煤層孤島工作面小煤柱回采巷道圍巖控制技術(shù)研究[D]．太原：太原理工大學(xué)，2011．

Research and Application of Rational Size of Coal Pillar in Isolated Island Caving Workface

PENG Zhigang

The surrounding rock stress concentration of island roadway is very high, so the support for mining gateway is more difficult. The stress distribution characteristics of roadway surrounding rock in this isolated island workface are analyzed with the theory and UDEC numerical simulation in the background of No.30222 mining workface in a coalmine. The results show that the surrounding rock stress of the isolated island workface is larger than that of the conventional workface, and by the calculation of the mechanical model combined with the numerical simulation analysis, leaving the 6 m narrow coal pillar can make the surrounding rock stable. The reinforcement of grouting with net method can well control the deformation of roadway surrounding rock.

Isolated island caving workface; Coal pillar width; UDEC numerical simulation; Mine pressure observation

2016-08-22

彭志剛(1982—)，男，山西廣靈人，2013年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦綜采安全技術(shù)管理工作

(E-mail)545606153@qq.com

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1672-0652(2016)10-0004-04