銀洞溝礦綜采沿空掘巷窄煤柱寬度確定

姚 輝

( 寧夏王洼煤業(yè)有限公司銀洞溝礦，寧夏 固原 756504)

0 前 言

在我國煤炭資源賦存中，厚煤層占據(jù)比重較大，綜采技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于厚煤層開采。在綜放開采中，由于采高較大，為避免資源的浪費(fèi)，提高煤炭采出率，寬煤柱護(hù)巷技術(shù)逐漸被窄煤柱取代。我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，差距大，為沿空掘巷帶來較大困難，煤柱寬度過小，側(cè)向高支承壓力易造成煤柱失穩(wěn)破壞，寬度過大會造成高水平應(yīng)力集中，使巷道變形難以控制，合理的煤柱寬度需要保證煤柱自身穩(wěn)定性又需避免煤柱作為主要承載體，所以沿空掘巷窄煤柱的關(guān)鍵是選擇合理的煤柱寬度[1-7]。

1 工程概況

110103工作面開采方式為綜采，開采煤層為1煤，工作面西鄰110201工作面(已采完)，該工作面設(shè)計南北走向長1 296 m，斜長237 m，煤層平均2.6 m，工作面傾角16°～18°。綜合柱狀圖見圖1。

圖1 綜合柱狀圖

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度確定

2.1 老頂在實體煤側(cè)斷裂位置的確定

工作面回采后老頂破斷下沉，老頂?shù)钠茢辔恢没旧暇褪敲后w彈塑性交界處，破斷位置距沿空側(cè)煤壁距離X0可用式(1)計算：

(1)

銀洞溝礦110103工作面采高m=3.26 m，測壓系數(shù)A=0.493，上覆巖層平均容重γ=25 kN/m3，煤的內(nèi)摩擦角φ=35°、內(nèi)聚力C=3.12 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)K=2.9，巷道埋深H=403 m，殘余錨網(wǎng)支護(hù)阻力Ps=0.1 MPa，帶入公式(1)得X0=2.27 m。

2.2 煤柱寬度理論分析

對合理煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行研究時，要考慮其自身穩(wěn)定性和巷道穩(wěn)定性，這是保證回采工作面安全生產(chǎn)的重要因素。通過極限平衡理論經(jīng)驗公式計算煤柱寬度：

(2)

式中，x0為由于110103工作面回采使煤柱內(nèi)出現(xiàn)的塑性區(qū)寬度，m；x1為桿體處于煤柱內(nèi)的有效長度，2 m；x2為與煤厚有關(guān)的系數(shù)，取0.3～0.5(x0+x1)，m。得到B=5.55～6.4 m。煤柱寬度設(shè)計示意圖見圖2

圖2 煤柱寬度設(shè)計示意圖

3 合理煤柱寬度數(shù)值模擬

3.1 掘巷后不同寬度煤柱巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

垂直應(yīng)力分布見圖3，由圖3可以得出以下結(jié)論。

1)巷道掘進(jìn)后，巷道煤柱側(cè)和實體煤側(cè)均出現(xiàn)應(yīng)力集中，隨著煤柱寬度增加，煤柱整體應(yīng)力水平在逐漸升高，其中，峰值應(yīng)力明顯增大，同時峰值應(yīng)力作用范圍越來越大。對比實體煤側(cè)，當(dāng)寬度從5 m增加到6 m，其峰值應(yīng)力從32.4 MPa增加到32.9 MPa，但從6 m增長至7、8、9 m時，峰值應(yīng)力隨煤柱寬度的增長而減小。說明煤柱的承載能力在進(jìn)一步增強(qiáng)，開始代替實體煤一部分承擔(dān)載荷工作，煤柱失穩(wěn)破壞的原因就是載荷值超過煤柱極限承載力。

2)隨著煤柱寬度增加，巷道頂板深部巖層應(yīng)力水平在逐步降低，高水平應(yīng)力影響區(qū)域逐漸縮小。巷道底板深部巖層則相反，應(yīng)力水平、高水平應(yīng)力作用區(qū)域隨煤柱寬度增長而增大。巷道頂?shù)装迳畈繋r體的高應(yīng)力由于巷道掘進(jìn)向巷道淺部圍巖轉(zhuǎn)移釋放，引起淺部圍巖變形。

(a)5 m

(b)6 m

(c)7 m

(d)8 m

(e)9 m

3.2 掘巷后不同寬度煤柱巷道表面位移情況

表面位移統(tǒng)計見圖4，從圖4分析可得以下結(jié)論。

1)巷道底鼓量隨煤柱寬度的增長而減小，且變化量和變化率小，5 m寬度為最大底鼓量8 mm，在9 m時，底板底鼓最小，幾乎無變化，說明底板內(nèi)整體應(yīng)力水平較低，不足以引起大變形。

2)巷道頂板下沉量隨煤柱寬度增長而減小，變化率小，最大下沉量在5 m寬度為204 mm，9 m時最小為127 mm，說明巷道頂板受采空區(qū)頂板下沉作用力影響越來越小。

3)巷道煤柱幫內(nèi)移量隨煤柱寬度增長而增大，且6～7 m有較大幅度的變化，5 m寬度內(nèi)移量達(dá)到最小181 mm，最大內(nèi)移量在8 m為290 mm，在9 m出現(xiàn)內(nèi)移量減小的趨勢，說明當(dāng)寬度從8 m開始增長時，煤柱承載力、穩(wěn)定性有進(jìn)一步增強(qiáng)。

4)巷道實體煤幫的變形受煤柱寬度變化影響較小，5 m煤柱寬度時，實體煤內(nèi)移量最大154 mm，9 m寬度時內(nèi)移量最小92 mm，內(nèi)移量隨寬度增加呈小幅度減小。

5)對比煤柱幫和實體煤幫，巷道受非對稱載荷作用，隨著煤柱寬度增加，煤柱幫的變形量與實體煤幫變形量的差距越來越大，說明隨著煤柱內(nèi)應(yīng)力水平逐步增高，煤柱塑性區(qū)得以擴(kuò)展，煤柱穩(wěn)定性降低，實體煤則相反。

圖4 不同寬度煤柱巷道表面位移

4 結(jié) 語

1)理論分析表明：老頂斷裂位置距離采空側(cè)煤壁2.27 m，綜合考慮巷道和煤柱穩(wěn)定性、可支護(hù)性，根據(jù)煤柱寬度理論計算公式，確定煤柱寬度5.55～6.4 m。

2)利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布規(guī)律，建立不同寬度煤柱模型，探究掘巷后煤體應(yīng)力分布特征和巷道淺部圍巖變形特點，得出合理煤柱寬度。

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