淺埋厚煤層區(qū)段煤柱合理尺寸優(yōu)化與研究

陳海俊 李洪蛟 陳 楊 鄭 錚 魏 臻 肖 鵬

(1. 陽煤集團(tuán)山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西省忻州市，036600；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

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淺埋厚煤層區(qū)段煤柱合理尺寸優(yōu)化與研究

陳?？?李洪蛟2陳 楊2鄭 錚3魏 臻3肖 鵬3

(1. 陽煤集團(tuán)山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西省忻州市，036600；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

針對淺埋厚煤層區(qū)段煤柱合理尺寸留設(shè)難題，結(jié)合某礦具體實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)等手段，從煤柱支承應(yīng)力和塑性區(qū)分布等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著煤柱尺寸的減小，支承應(yīng)力集中程度逐漸增大，且出現(xiàn)支承應(yīng)力最大值的位置越靠近采空側(cè)；當(dāng)煤柱尺寸過小時(shí)，巷道周圍塑性區(qū)與煤柱內(nèi)塑性區(qū)連接，不利于巷道穩(wěn)定；綜合理論分析計(jì)算、數(shù)值模擬和經(jīng)濟(jì)角度考慮確定煤柱合理的留設(shè)尺寸為12 m?，F(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了12 m寬煤柱巷道變形量能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

淺埋厚煤層 區(qū)段煤柱 煤柱尺寸

區(qū)段煤柱是指上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)的一定尺寸的保護(hù)煤柱。區(qū)段煤柱的作用一方面是隔離采空區(qū)，另一方面是保證下區(qū)段巷道的穩(wěn)定性，合理尺寸的保護(hù)煤柱對巷道圍巖穩(wěn)定性、資源采出率、經(jīng)濟(jì)效益等有著十分重要的影響。相關(guān)學(xué)者對深埋煤層沿空掘巷的煤柱尺寸留設(shè)進(jìn)行了大量研究，取得了很多有益的成果，然而對淺埋厚煤層綜放開采條件下的煤柱留設(shè)問題研究較少。

本文采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等手段，研究了淺埋厚煤層綜放開采條件下合理區(qū)段煤柱留設(shè)方法，并最終確定了煤柱留設(shè)尺寸，為類似地質(zhì)條件的礦井提供了借鑒意義。

1 工程地質(zhì)概況

某礦主采8#煤層，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煤厚為4.14～5.36 m，平均厚度為5.07 m，為典型的厚煤層。內(nèi)生裂隙發(fā)育，頂板不穩(wěn)定，煤層近南北走向，傾角為2°～5°。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度變化較大，為1.1～10.35 m，老頂為粉砂巖及中粒砂巖，厚10.97 m，以長石、石英為主，偽底為薄層泥巖，厚0.1～0.2 m，遇水易膨脹變軟，直接底為半堅(jiān)硬泥巖，厚15.57 m，泥質(zhì)膠結(jié)，遇水易膨脹變軟，老底為含礫粗砂巖，厚13.21 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，以長石、石英為主。

該礦88109與88110工作面均尚未回采，88110工作面位于88109工作面以東。試驗(yàn)巷道為88110運(yùn)輸平巷，巷道斷面為矩形，巷道寬度為5.0 m，高度為3.5 m，巷道埋深為114～205 m。地應(yīng)力測試結(jié)果表明，該礦的地應(yīng)力場屬于水平構(gòu)造應(yīng)力場，以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力的方向?yàn)?19.35°，最大主應(yīng)力值為10.82 MPa，為垂直應(yīng)力場的1.88倍，且主應(yīng)力方向與試驗(yàn)巷道夾角較大。8#煤層抗壓強(qiáng)度為7 MPa，水平應(yīng)力超過單向抗壓強(qiáng)度。煤層較厚，礦方原有的煤柱尺寸達(dá)到了35 m，受水平應(yīng)力的影響，巷道變形量較大，兩幫尤其明顯。

2 區(qū)段煤柱尺寸理論計(jì)算

區(qū)段煤柱兩側(cè)為回采空間和采準(zhǔn)巷道，回采空間和采準(zhǔn)巷道在護(hù)巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性變形區(qū)。區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件為：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定尺寸的彈性核，彈性核的尺寸應(yīng)不小于煤柱高度的2倍，故區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的最小尺寸B為：

B=x0+2m+x1

(1)

式中：x0——護(hù)巷煤柱在采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)尺寸，m；

m——采高，m；

x1——護(hù)巷煤柱在巷道一側(cè)的塑性區(qū)尺寸，m。

由于護(hù)巷煤柱的巷道一側(cè)在回采完后也將成為采空區(qū)，因此兩側(cè)采空后塑性區(qū)尺寸基本相等，取x0=x1，這樣計(jì)算煤柱尺寸有一定的安全系數(shù)。根據(jù)巖體極限平衡理論，塑性區(qū)的尺寸，即支承壓力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間的距離x0的計(jì)算式如下：

(2)

式中：K——應(yīng)力集中系數(shù)，取4；

m——采高，取3.55m；

H——埋深，取200m；

γ——巖體容重，取25kN/m3；

C——煤體的粘聚力，取1340kN/m2；

φ——煤體的內(nèi)摩擦角，取31°；

P1——支架對煤幫的阻力，無支架，忽略不計(jì)；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)，取0.29；

ξ——三軸應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)8#煤層煤巖力學(xué)參數(shù)，并考慮開采的綜合影響，綜合計(jì)算可得煤柱最小留設(shè)尺寸B為11.65 m。

3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬模型煤柱附近網(wǎng)格建立如圖1所示，Y方向垂直O(jiān)XZ平面指向前方。模型尺寸為205 m×50 m×40 m，其中沿模型X方向中部留設(shè)不同寬度煤柱進(jìn)行模擬研究，數(shù)值模型參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)煤柱尺寸分別為35 m、20 m、12 m、8 m、4 m五種方案，分析在88109工作面開采(一次采動(dòng))和88110工作面開采(二次采動(dòng))條件工作面前方下不同尺寸煤柱支承壓力分布和巷道圍巖塑性區(qū)變化特點(diǎn)。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

巖性厚度/m體積模量/GPa剪切模量/GPa密度/kg·m-3摩擦角/(°)粘聚力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa粗礫巖13.222.2212.72.59359.164.32泥巖15.5714.88.92400328.33.6煤5.071.150.761470311.341.2砂質(zhì)泥巖8.0313.68.52300328.33.56粉砂巖10.9723.612.52570308.513.31

3.1 煤柱圍巖應(yīng)力分布

不同煤柱尺寸條件下垂直應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2中不同煤柱尺寸條件下垂直支承應(yīng)力云圖，可以設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)求出沿煤柱寬度方向應(yīng)力變化情況，結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同煤柱寬度應(yīng)力分布

圖3 不同煤柱尺寸支承應(yīng)力變化曲線

由圖3可知，當(dāng)煤柱尺寸分別為35 m、20 m、12 m、8 m 和4 m時(shí)，支承應(yīng)力最大值分別對應(yīng)為9.58 MPa、9.52 MPa、10.2 MPa、11.8 MPa和11.98 MPa，整體呈現(xiàn)出隨著煤柱尺寸減少，支承應(yīng)力最大值逐漸增大的趨勢。從支承應(yīng)力出現(xiàn)最大值的位置來看，最大值的位置距采空側(cè)煤柱幫分別為4.5 m、4.5 m、3.5 m、3.5 m和2 m，由此可知，當(dāng)煤柱尺寸為35 m、20 m和12 m時(shí)，出現(xiàn)支承應(yīng)力最大值的位置更靠近88109工作面一側(cè)，對巷道的穩(wěn)定性更加有利。而當(dāng)煤柱尺寸為8 m 和4 m時(shí)，煤柱中支承應(yīng)力集中度較高，煤柱破壞嚴(yán)重，不利于巷道的布置，故煤柱的留設(shè)尺寸應(yīng)不小于12 m。

3.2 塑性區(qū)破壞特征

不同煤柱寬度條件下塑性區(qū)分布情況如圖4所示，從圖中可知，當(dāng)煤柱尺寸為35 m、20 m、12 m、8 m和4 m時(shí)，巷道周圍塑性區(qū)范圍大體相同，但煤柱內(nèi)的塑性區(qū)分布略微不同。

當(dāng)煤柱尺寸為4 m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)與采空側(cè)塑性區(qū)連接，巷道有垮塌危險(xiǎn)；當(dāng)煤柱尺寸為8 m時(shí)，煤柱內(nèi)彈性核尺寸為2 m，彈性核尺寸過小，不利于對巷道煤柱幫的控制；當(dāng)煤柱尺寸為12 m時(shí)，巷道在煤柱側(cè)的塑性區(qū)范圍略大，此時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對巷道煤柱幫的控制；當(dāng)煤柱尺寸為20 m和35 m時(shí)，煤柱內(nèi)及巷道周邊塑性區(qū)分布大體一致，從節(jié)約資源的角度考慮，35 m煤柱尺寸過大。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，煤柱最佳尺寸選擇在12～20 m較為合理。

3.3 煤柱尺寸確定

數(shù)值模擬計(jì)算的煤柱尺寸考慮了開采深度、煤層采動(dòng)影響、煤體的力學(xué)參數(shù)、三軸應(yīng)力、礦井實(shí)際條件等多方面因素影響，確定的尺寸相比理論計(jì)算更為合理。通過理論分析計(jì)算得到煤柱合理尺寸為11.65 m，而通過數(shù)值模擬分析得出合理尺寸在12～20 m之間，從而最終確定留設(shè)12 m寬度的保護(hù)煤柱進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

圖4 不同煤柱尺寸巷道塑性區(qū)分布

4 工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證留設(shè)12 m寬煤柱的合理性，工程實(shí)踐選擇在88109回風(fēng)巷與88110運(yùn)輸巷的35聯(lián)巷與40聯(lián)巷之間留設(shè)12 m的煤柱，并對巷道進(jìn)行深基點(diǎn)位移監(jiān)測。其中深基點(diǎn)位移監(jiān)測分為掘進(jìn)、一次采動(dòng)和二次采動(dòng)3個(gè)階段。

(1)掘進(jìn)階段。在試驗(yàn)巷道掘進(jìn)過程中，對頂板、兩幫各測站進(jìn)行了深基點(diǎn)位移觀測，測試結(jié)果表明，頂板、兩幫變形量均很小，控制在5 mm以內(nèi)。

(2)一次采動(dòng)影響階段。試驗(yàn)巷道距88109切眼距離為200 m，當(dāng)88109工作面推至距觀測站100 m時(shí)開始一次回采影響階段觀測，到工作面推進(jìn)400 m后觀測結(jié)束。以5號(hào)測站為例，觀測結(jié)果如圖5所示。

由圖5深基點(diǎn)位移監(jiān)測可以看出，在超前工作面0～100 m范圍內(nèi)，巷道頂板及兩幫變形量極小。當(dāng)該工作面推過5號(hào)測站后，受采空區(qū)頂板垮落、下沉影響，頂板深基點(diǎn)位移未發(fā)生變化；兩幫變形量逐漸增加，滯后工作面250 m時(shí)變形趨于穩(wěn)定。

(3)二次采動(dòng)影響階段。當(dāng)88110工作面推進(jìn)至距5號(hào)測站80 m位置時(shí)開始第三階段觀測。二次采動(dòng)影響階段的巷道變形結(jié)果如圖6所示。

圖5 一次采動(dòng)影響階段巷道深基點(diǎn)位移變化

圖6 二次采動(dòng)影響階段巷道深基點(diǎn)位移變化

由圖6監(jiān)測結(jié)果可知，受88110工作面超前采動(dòng)影響，5號(hào)測站深基點(diǎn)位移量隨著距工作面的距離減小而增大；在工作面距5號(hào)測站由80 m位置向40 m位置推進(jìn)過程中，巷道位移速率增速較緩；當(dāng)88110工作面與5號(hào)測站距離小于40 m后，巷道位移增長速率明顯加快，直到工作面推過測站。

根據(jù)深基點(diǎn)位移監(jiān)測結(jié)果可知，留設(shè)12 m煤柱條件下，受一次采動(dòng)影響后，巷道兩幫最終變形量分別為68 mm、138 mm，頂板變形量幾乎為0；受二次采動(dòng)影響時(shí)，巷道兩幫變形量分別為213 mm、305 mm，頂板變形量為52 mm；巷道受二次采動(dòng)超前應(yīng)力影響下變形量相對較大，就整體而言，巷道變形量可以接受，且巷道在服務(wù)期間較為穩(wěn)定，未發(fā)生大規(guī)模片幫或鼓脹現(xiàn)象，可以滿足巷道服務(wù)期間的使用要求。綜上所述，留設(shè)12 m 煤柱的方案合理可行。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)理論分析計(jì)算得出，某礦主采8#煤區(qū)段煤柱的合理留設(shè)尺寸為11.65 m。

(2)數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：當(dāng)煤柱尺寸過小時(shí)，巷道周圍塑性區(qū)與煤柱塑性區(qū)連接，巷道穩(wěn)定性極差；隨著煤柱尺寸的逐漸減小，支承應(yīng)力集中程度逐漸增大，且支承應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置越靠近采空側(cè)；確定了該礦淺埋厚煤層煤柱尺寸合理留設(shè)尺寸范圍為12～20 m。

(3)綜合理論計(jì)算、數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)得到的結(jié)果，最后確定該礦8#淺埋厚煤層區(qū)段煤柱的留設(shè)尺寸為12 m。

(4)通過工程驗(yàn)證，留設(shè)12 m煤柱的巷道變形量整體不大，變形集中在兩幫，兩幫的最終變形量分別為213 mm和305 mm，能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

[1] 柏建彪.沿空掘巷圍巖控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006

[2] 劉金海,姜福興,王乃國等.深井特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱合理尺寸研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012(5)

[3] 王德超,李術(shù)才,王琦等.深部厚煤層綜放沿空掘巷煤柱合理尺寸試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014(3)

[4] 秦永洋,許少東,楊張杰.深井沿空掘巷煤柱合理尺寸確定及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(2)

[5] 申志平.沿空掘巷煤柱尺寸與支護(hù)參數(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(7)

[6] 張科學(xué).深部煤層群沿空掘巷護(hù)巷煤柱合理尺寸的確定[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2011(s1)

[7] 馮吉成,馬念杰,趙志強(qiáng)等.深井大采高工作面沿空掘巷窄煤柱尺寸研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2014(4)

[8] 侯朝炯,馬念杰. 煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討[J]. 煤炭學(xué)報(bào),1989(4)

[9] 奚家米,毛久海,楊更社等.回采巷道合理煤柱尺寸確定方法研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008(4)

[10] 宋成標(biāo). 極近距離不穩(wěn)定煤層聯(lián)合開采護(hù)巷煤柱尺寸的探討[J]. 中國煤炭，2011(5)

[11] 劉新河,于海洋,周奕朝等. 郭二莊礦近距離煤層同采合理錯(cuò)距研究[J]. 中國煤炭, 2012(4)

(責(zé)任編輯 郭東芝)

Optimization and research of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam

Chen Haijun1, Li Hongjiao2, Chen Yang2, Zheng Zheng3, Wei Zhen3, Xiao Peng3

(1. Shanxi Shide Sunjiagou Coal Mine Co., Ltd., Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Xinzhou, Shanxi 036600, China;2. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Aiming at the problem of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam, combined with practical engineering geological conditions, distribution rules of coal pillar bearing stress and plastic zone were studied by theoretical analysis, numerical simulation and field industrial tests. The results showed that the concentration degree of bearing stress increased with the decreasing of pillar size, and the location of maximum bearing stress was more close to goaf; when the pillar size was too small, the plastic zone around roadway was connected with the plastic zone in pillar, which was against roadway stability; in the end, combined with the results of theoretical analysis and calculation, numerical simulation and economy analysis, the rational width of coal pillar was determined as 12 m. The industrial tests verified that the roadway deformation could meet the requirement of safety production.

shallow-buried thick coal seam, section coal pillar, coal pillar size

陳?？?，李洪蛟，陳楊等. 淺埋厚煤層區(qū)段煤柱合理尺寸優(yōu)化與研究[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：89-93. Chen Haijun, Li Hongjiao, Chen Yang, et al. Optimization and research of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam[J]. China Coal, 2017, 43 (7):89-93.

TD823

A

陳?？?1981- )，男，山西省介休人，采礦工程師，中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)碩士畢業(yè)，現(xiàn)從事采掘技術(shù)及礦井設(shè)計(jì)管理方面相關(guān)工作。