淺埋深厚煤層護巷煤柱合理尺寸研究

李來源

(陜西神木縣隆德礦業(yè)有限責任公司，陜西省榆林市，719319)

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淺埋深厚煤層護巷煤柱合理尺寸研究

李來源

(陜西神木縣隆德礦業(yè)有限責任公司，陜西省榆林市，719319)

為減小護巷煤柱寬度，提高盤區(qū)采出率，在分析受采動影響的203工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征的基礎上，針對淺埋深巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯的實際情況，通過理論計算，得出隆德礦2#煤層合理的護巷煤柱寬度為8.3～12.2m；采用FLAC3D數(shù)值模擬分析了護巷煤柱寬度為8m、10m、12m、16m時的巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。分析結果表明，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖變形量減小，煤柱更加穩(wěn)定，但當煤柱寬度超過12m時，加大煤柱寬度對維護巷道的穩(wěn)定作用并不明顯，最終確定護巷煤柱寬度為12m?，F(xiàn)場實踐表明，煤柱留設寬度減至8m后，仍可滿足下一工作面安全開采要求。

淺埋煤層 厚煤層 護巷煤柱 彈性核區(qū) 煤柱寬度

護巷煤柱寬度的留設是煤礦盤區(qū)設計的關鍵問題之一，也是困擾煤礦安全生產的重要技術難題之一。受動壓影響回采巷道的礦壓顯現(xiàn)程度與煤柱寬度有較大的關系，煤柱尺寸過小，其自身承載能力低、穩(wěn)定性差、易破壞，使巷道因失去支撐體而難以維護；煤柱尺寸過大，雖可降低巷道的礦壓顯現(xiàn)程度，減少頂板災害的發(fā)生次數(shù)，但煤炭損失嚴重，采出率低。隆德煤礦回采巷道普遍選用雙巷掘進和維護的方式，在相鄰工作面回采巷道之間留設20 m的煤柱。根據(jù)淺埋深煤層巷道的礦壓顯現(xiàn)特征，并結合工作面推進過程中的巷道實際觀測情況，發(fā)現(xiàn)在20 m煤柱的支撐作用下，在經過二次采動后，巷道沒有發(fā)生較大的變形和破壞。為解決盤區(qū)開采過程中的區(qū)段煤柱留設過大的問題，提高煤炭采出率，在分析綜采工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征的基礎上，在不改變巷道原支護參數(shù)的條件下，優(yōu)化區(qū)段煤柱寬度，以實現(xiàn)煤礦的安全高效生產。

1 工程概況

203工作面煤層厚度為3.25～4.6 m，平均3.9 m；煤層平均傾角為2°，工作面埋深平均190～200 m。上覆巖層直接頂為粉砂巖，厚度為1.4～3.4 m，平均為3 m，泥質膠結。基本頂為細砂巖、粉砂巖，厚度為8.3～22.3 m，泥質膠結，波狀層理，夾有泥巖及細粒砂巖薄層硬度中等。203工作面長度300 m，可采長度3650 m，采用長壁式一次采全高全部垮落法和綜合機械化采煤工藝。203輔助運輸巷和膠帶運輸巷沿煤層底板布置，巷道寬5.4 m，高3.6 m。

2 回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測分析

203輔助運輸巷和膠帶運輸巷并行掘進，兩巷之間留設20 m的煤柱。由于203輔助運輸巷要在201工作面回采過程中起回風作用，故203輔助運輸巷和煤柱要受二次采動影響。若研究203輔助運輸巷受二次采動影響后的礦壓顯現(xiàn)特征，所需時間太長，故選擇在受初次采動影響的203輔助運輸巷和受第2次采動影響的203輔助運輸巷中布置礦壓監(jiān)測測站，來研究回采對巷道和煤柱穩(wěn)定性的影響。

203輔助運輸巷和回風巷表面位移觀測曲線分別如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，受第1次采動影響的203輔助運輸巷頂?shù)装遄畲笠平繛?5 mm，兩幫最大移近量為20 mm；受第2次采動影響的203回風巷頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm，兩幫最大移近量為32 mm，井下觀測也基本沒有發(fā)現(xiàn)巷道較大變形；將上述兩次變形量相加，近似理解為203輔助運輸巷受二次采動影響后的巷道表面最大位移變形量，頂?shù)装遄畲笠平繛?3 mm，兩幫最大移近量為52 mm。

圖1 203輔助運輸巷道表面位移變化

圖2 203回風巷巷道表面位移變化

實測分析表明，在護巷煤柱為20 m寬度的前提下，二次采動對巷道和煤柱影響很小，巷道和煤柱仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。故現(xiàn)在采用的20 m護巷煤柱明顯略大，應研究提出合理煤柱寬度，以提高盤區(qū)采出率。

3 護巷煤柱寬度的理論計算

護巷煤柱兩側的回采空間和回采巷道形成以后，在煤柱邊緣會發(fā)生塑性變形和破壞，形成各自的塑性區(qū)x0和x1，如圖3所示。因此在煤柱設計時，煤柱兩側的塑性區(qū)寬度之和不能超過煤柱的寬度，否則，煤柱兩側的塑性區(qū)將連通，煤柱失去彈性核區(qū)，支撐能力迅速降低，煤柱極有可能完全失穩(wěn)。

圖3 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應力分布

受采動影響后，護巷煤柱保持穩(wěn)定的寬度為：

B=x0+(1～2)M+x1

(1)

式中:B——護巷煤柱寬度，m；

x0——煤柱在采空區(qū)一側的塑性區(qū)寬度，m；

M——煤層開采厚度，m；

x1——煤柱在巷道一側的塑性區(qū)寬度，m。

運用巖體的極限平衡理論，在采空區(qū)側形成的塑性區(qū)寬度x0為：

(2)

式中：A——側壓系數(shù)，取0.389；

φ0——煤層界面的內摩擦角，取37°；

C0——煤層界面的黏結力，取1.2 MPa；

K——應力集中系數(shù)，取2.5；

γ——巖層平均容重，取25kN/m3；

H——巷道埋深，取200 m；

PZ——支架對煤幫的支護阻力，取0。

由式(2)計算得到x0=2.2 m。一般來說，x1

4 煤柱留設寬度數(shù)值模擬對比優(yōu)化

數(shù)值模擬法具有較強的運算功能，同時可以模擬不同地質條件、不同煤柱寬度甚至是不同支護強度下煤柱的受力、巷道變形等狀況，是目前研究煤柱留設寬度普遍采用的方法。在理論分析的基礎上，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，分別模擬護巷煤柱寬度為8 m、10 m、12 m、16 m時巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布規(guī)律，對比確定合理的護巷煤柱尺寸。

4.1 建立數(shù)值模型

模型尺寸為70 m×50.4 m，采用彈塑性材料模型，運用Mohr-Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞程度，上部邊界施加應力載荷按采深200 m計算，底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。各巖層力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖力學參數(shù)

基本支護參數(shù)：頂板錨桿規(guī)格為?18 mm×2100 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1000 mm，頂板錨索規(guī)格為?17.8 mm×6000 mm，間排距為2000 mm×3000 mm，矩形布置，幫部錨桿規(guī)格為?16 mm×1600 mm圓鋼錨桿，末端400 mm拍扁擰成麻花狀，間排距為750 mm×1500 mm，五花形布置。

4.2 模擬結果分析

不同煤柱寬度時煤柱塑性區(qū)分布如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度煤柱兩側塑性區(qū)分布

由圖4可知，隨著煤柱寬度增加，煤柱中彈性核區(qū)的范圍逐漸增大。煤柱寬度為8 m時，塑性區(qū)在巷道一側為2 m，在回采空間一側為4 m，中部的彈性核寬度為2 m，僅為巷道高度的一半，支承能力難以保證；煤柱寬度為10 m時，煤柱中彈性區(qū)寬度為4 m，略大于巷道高度；煤柱寬度為12 m時，彈性核區(qū)寬度為6 m?，F(xiàn)場實踐表明，當煤柱寬度在核區(qū)達到50%時，煤柱可保持穩(wěn)定；煤柱寬度為16 m時，煤柱中彈性區(qū)明顯增大，此時煤柱尺寸過大，不利于提高盤區(qū)采出率，會造成資源浪費。

煤柱寬度與203輔助運輸巷圍巖變形關系模擬結果見表2。隨著203工作面的不斷推進，201輔助運輸巷頂?shù)装寮皟蓭途l(fā)生了變形，隨著煤柱寬度的增加，201回風巷圍巖變形量逐漸減小。10 m寬的煤柱相對8 m寬的煤柱，巷道圍巖變形降幅在13%左右；12 m寬的煤柱相對10 m寬的煤柱，巷道圍巖變形降幅在24%以上，降幅較大；16 m寬的煤柱相對12 m寬的煤柱，巷道圍巖變形降幅在13%以下，說明加大煤柱寬度對維護巷道的穩(wěn)定作用不太明顯。根據(jù)數(shù)值計算結果，將隆德煤礦護巷煤柱寬度確定為12 m。

表2 煤柱寬度與203輔助運輸巷圍巖變形關系

5 工程實踐

201輔助運輸巷和膠帶運輸巷間留設12 m護巷煤柱，為研究回采過程對巷道和煤柱穩(wěn)定性的影響，在201輔助運輸巷掘進和201工作面回采期間，對201輔助運輸巷進行巷道表面位移和錨桿受力監(jiān)測，測站布置如圖5所示。

圖5 工作面巷道及測站布置示意圖

5.1 掘進期間礦壓顯現(xiàn)特征

201輔助運輸巷掘進期間巷道表面位移變化如圖6所示。由圖6可知，在距掘進工作面20 m范圍內，巷道表面位移增長較快，工作面超出測站80 m后趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm，兩幫最大移近量為45 mm，掘進期間礦壓顯現(xiàn)不明顯，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 201輔助運輸巷掘進期間巷道表面位移變化

201輔助運輸巷掘進期間錨桿受力變化如圖7所示。由圖7可以看出，掘進期間錨桿受力變化幅度較小，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，所留設的煤柱可以發(fā)揮較好的支撐作用。

圖7 201輔助運輸巷掘進期間錨桿受力變化

5.2 回采期間礦壓顯現(xiàn)特征

201工作面回采期間，4#測站巷道表面位移變化最大，其巷道表面位移觀測曲線如圖8所示。由圖8可知，距工作面20～80 m的范圍內，4#測站幾乎沒有受到采動影響，巷道表面位移變化幅度較??；距工作面10～20 m范圍內，巷道表面位移變化迅速；距工作面10 m以內時，巷道表面位移急劇增加，頂?shù)装遄畲笠平繛?64 mm，兩幫最大移近量為157 mm，但巷道總體位移量還是相對較小，在安全許可范圍內，煤柱及巷道仍可保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 201輔助運輸巷回采期間4#測站巷道表面位移變化曲線

圖9 201工作面回采期間錨桿受力變化曲線

201工作面回采期間錨桿受力變化曲線如圖9所示。由圖9可知，距工作面50 m時，錨桿受力開始受到采動影響，但變化較小，漲幅在10 kN以內；距工作面30 m以內時，錨桿受力開始顯著增加，最大值為68 kN，遠低于錨桿破斷力。

護巷煤柱寬度由203工作面的20 m降為201工作面的12 m后，不僅單個工作面比原來多產出煤炭14.6萬t/a，直接經濟效益2920萬元，而且礦壓顯現(xiàn)程度處于可控制范圍之內，巷道和煤柱仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足安全開采要求，技術經濟效益顯著。

6 結語

(1)在分析隆德礦淺埋深回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征的基礎上，得出回采巷道圍巖變形量小，礦壓顯現(xiàn)不明顯，在保持巷道原支護參數(shù)的條件下，可以進一步優(yōu)化護巷煤柱寬度。

(2)根據(jù)理論計算分析，得出隆德礦2#煤層合理護巷煤柱寬度為8.3～12.2 m。

(3)利用數(shù)值模擬軟件，計算護巷煤柱寬度為8 m、10 m、12 m、16 m時的巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖變形量越來越小，煤柱越來越穩(wěn)定，但當煤柱寬度超過12 m時，加大煤柱寬度對維護巷道的穩(wěn)定作用不太明顯，最終確定護巷煤柱寬度為12 m。

(4)工程實踐表明，當護巷煤柱的寬度改為12 m后，巷道總體位移量相對較小，在安全許可范圍之內，單個工作面比原來多產出煤炭14.6萬t/a，直接經濟效益2920萬元，技術經濟效益顯著。

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(責任編輯 陶 賽)

Research on reasonable width of coal pillar in shallow-buried deep coal seam

Li Laiyuan

(Shaanxi Shenmu County Longde Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719319, China)

In order to reduce coal pillar width and increase recovery rate of the panel area, based on the analysis of characteristics of mining-induced rock strata pressure in mining roadway of 203 work face, aiming at the actual situation that strata pressure behavior of shallow buried roadway was not obvious, it is concluded that by theoretical calculation,the reasonable pillar width of No. 2 coal seam in Longde Mine was 8.3～12.2 m. FLAC3D numerical simulation was used to analysis laws of the deformation and plastic zone distribution of roadway surrounding rock when pillar width was 8 m, 10 m, 12 m, 16 m, respectively. The results showed that with the increase of coal pillarwidth, the deformation of surrounding rock was smaller, coal pillar was more stable, however, when coal pillar width was more than 12 m, increasing coal pillar width could not favorably maintain the stability of roadway. It wasfinnaly determined that coal pillar width was 12 m.Field application showed that 8-meter coal pillar width still could met the requirement of safe mining production.

shallow buried coal seam, thick coal seam, protective pillar, elastic core area, coal pillar width

李來源 .淺埋深厚煤層護巷煤柱合理尺寸研究 [J] . 中國煤炭，2017,43(4)：79-83.LiLaiyuan.Researchonreasonablewidthofcoalpillarinshallow-burieddeepcoalseam.ChinaCoal，2017,43(4)：79-83.

TD

A

李來源(1964-)，男，山東濟寧人，高級工程師，博士研究生，從事礦山壓力與巖層控制等方面的研究。