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      銀洞溝礦綜采沿空掘巷窄煤柱寬度確定

      2022-04-26 07:05:22
      四川建材 2022年4期
      關(guān)鍵詞:老頂煤柱寬度

      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。

      [ID:013060]

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