综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究.pdf

文章编号 0253- 99932002 01- 0006- 05 综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究 贾光胜1, 2, 康立军1 1 煤炭科学研究总院 北京开采研究所, 北京 100013; 2 中国矿业大学 北京校区, 北京 100083 摘 要 采准巷道护巷煤柱稳定性决定着巷道的维护状况.从现场观测、数值计算和理论研究 3 个方面分析了综放工作面回采期间护巷煤柱体内应力和位移变化、煤柱失稳的原因、影响煤柱稳 定性因素等, 运用极限平衡理论提出了综放工作面护巷煤柱宽度的确定方法,并给出了实例和煤 柱宽度与巷道围岩变形的观测统计结果. 关键词 综放开采;采准巷道; 煤柱;稳定性 中图分类号 T D82349 文献标识码 A 收稿日期 2001-04-09 基金项目 国家自然科学基金重点资助项目 59734090 *煤炭工业部综放专家组. 综采放顶煤开采采出率调研报告. 1996. 回采巷道是回采工作面的咽喉, 巷道支护状况直接影响着回采工作面的正常生产和安全管理. 目前在 我国留设煤柱保护采准巷道仍是许多煤矿采取的主要护巷方法 如潞安矿区 ,国外多数国家也是如此. 煤柱留设对采准巷道的保护起到了关键作用,但也损失了大量的煤炭资源.据统计*,采用综放开采时, 工作面外的煤炭损失占采区总损失的 61 , 而区段煤柱的损失量却占到了 367,而且随区段煤柱宽度 的增大而增加.因此, 研究综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性和确定方法, 使煤柱的留设既有利于巷道的 维护, 又尽量减少煤炭的损失, 对提高综放开采的采区采出率非常重要. 1 综放工作面回采期间煤柱体的应力和位移观测 为研究综放开采过程中,护巷煤柱体内的应力、位移量的变化, 对潞安矿区漳村矿的 3 号煤层综放工 图 1 煤柱体内各点应力变化 Fig1 T he stress change of each point in the pillar 作面的护巷煤柱进行了布点观测, 所采煤层平均厚度为 671 m,硬度系数 f 15, 赋存深度 1605 m, 直接顶 为 172 m 厚的黑色泥岩, 老顶为 534 m 厚的黑色粉砂 岩, 在工作面运输巷道与采空区间留有 20 m 宽煤柱. 根据所观测煤柱宽度为 20 m 的条件,在 5,8,10, 12 和15 m 深度分别安装 1 台 KS- 1 型钻孔应力计,观测 煤柱内不同深度处的应力值随距采煤工作面不同距离时 的变化情况和规律;在 3, 5, 7, 9, 11, 13 和 15 m 深度 共布置水平位移测点 18 个,观测煤柱体在采煤工作面 回采期间的变形量. 11 煤柱体应力观测结果 如图 1 所示, 测点布置后,各测点应力计经短暂时 间的稳定后, 应力迅速上升,达到一固定值后逐渐趋于 平稳,当工作面推进至测点 37 m 时,各测点应力值开 第 27卷第 1期煤 炭 学 报 Vol. 27 No. 1 2002 年2月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYFeb. 2002 图 2 煤柱体位移变化 Fig2 The displacement change in the pillar 1 4 煤柱深部 3, 5, 9, 15 m 始上升, 但升幅较小,在工作面推进至测点 18 m 后, 随着工作面的推进,浅部 靠工作面 测点应 力值迅速上升,如 1 号 5 m 深 测点,在距工作 面 0 20 m 范围内,应力值上升了 22 MPa,而深 部测点如 4 号 12 m 深 、5 号 15 m 深 测点的 应力值则变化不大. 从观测结束时煤柱体内的应力 分布情况来看,高应力点在距巷道 7 10 m 范围 内, 煤柱受较高的支承压力,峰值点的垂直应力达 到 138 MPa,是原岩应力的 345 倍. 12 煤柱体位移观测结果 图 2为煤柱体内不同深度的位移观测结果.距 采煤工作面 35 38 m 以外,各测点位移量变化比 较平缓; 在 30 35 m 范围内,测点位移量有一个 台阶性上升;在距工作面 15 m 范围内测点位移量 迅速增加, 而且, 越靠煤柱边沿,位移量增加的速度越快, 最终的绝对位移量也相对越大. 13 观测结果分析 1 工作面对煤柱的采动影响起始点在工作面前方30 35 m 处, 强烈影响区在工作面前方 15 m 范围 内. 2 在巷道侧,护巷煤柱在 0 3 m 范围内发生了较大的位移 位移量达 168 mm ,说明该范围内的 煤层发生了强度破坏, 承载能力下降;而在采空区侧, 护巷煤柱在 0 7 m 范围内位移量也较大 5 m 为 215 mm, 7 m 为 196 mm , 说明该范围内煤体也发生了强度破坏,而煤柱中部 巷道侧 5 10 m 范围 变形量较小, 说明该范围煤柱体的完整性较好. 3 煤柱的采空区侧在受采动影响时,最大应力点在煤柱深部的 6 8 m 距采空区 ,最大应力集中 系数为 345,可以认定, 本煤柱在采空区侧的塑性区宽度为 6 8 m;而煤柱在巷道侧的塑性区宽度在 3 m范围内. 4 由于煤柱的中部偏巷道侧有一宽 5 m 左右的高应力区, 该区域煤柱承载能力较高, 完整性较好, 所以, 整个煤柱在回采期间保持了其稳定性. 2 综放开采护巷煤柱稳定性数值模拟计算 21 计算方案和模型 数值模拟计算采用 FDEM- 1 程序 有限元与离散元耦合程序 .数值模拟原型为潞安矿区现采的 3 号中硬煤层. 进行了煤柱宽度为 0 30 m 的 7 个方案计算. 采用平面应变计算模型.模型长 100 m,宽 1 m,高 788 m,部分上覆岩层用均布载荷模拟. 模型左 右边界为对称和位移边界, 边界上各节点的水平位移 Ux 0,模型底边界为固定边界,边界上各节点的 水平位移和垂直位移均为零.计算模型由煤层、顶板 1 7 、底板 1 3 、巷道、煤柱以及未 压实采空区和压实采空区共 15 个部分组成. 22 计算结果及分析 图 3 反映的是煤柱破坏区的分布情况,煤柱宽度较小时,煤柱在叠加应力作用下,破坏区贯通,煤柱 发生了全部破坏, 失去其稳定性,破坏形式以剪切破坏为主,在煤柱边缘局部也有拉伸破坏发生. 煤柱宽 度较大时, 煤柱只有部分发生破坏, 破坏区主要靠近煤柱的两端,破坏区没有贯通, 说明此时煤柱仍保持 其稳定性,靠近采空区一侧的破坏区较宽,达 6 8 m, 靠近巷道一侧的破坏区较小,一般 2 m 左右, 煤 柱破坏区的累计宽度 8 10 m. 7第 1 期贾光胜等 综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究 图 3 护巷煤柱破坏区分布 Fig3 The breaking zone distribution of the chain pillar a 6 m 煤柱; b 20 m 煤柱 3 综放工作面护巷煤柱稳定性及影响因素 31 回采巷道围岩应力及塑性区 综放工作面回采巷道多沿煤层底板布置, 其开挖后,巷道周边围岩应力重新分布,两侧煤体边缘首先 遭到破坏,并逐步向深部扩展和转移,直至弹性区边界.由于煤岩体本身的层理面等交界面的粘聚力 C0 和内摩擦角 0低于煤体的粘聚力 C 和内摩擦角 , 将综放开采顶煤体视为回采巷道的控制对象,巷道开 挖后的应力分布和塑性区变化可简化为如图 4 所示的计算模型.R 为塑性区宽度;x为平衡区边界处煤 图 4 巷道塑性区宽度的计算模型 Fig4 The calculating model of the plastically area width 层厚度上水平应力x的平均值. 根据极限平衡理论, 按图 4 所示计算模型,求得煤 层应力极限平衡区范围内煤层层理面和煤岩交界面上的 应力为 y C0 tan 0 Px e 2tan 0 M x - C0 tan 0, xy -C0 Pxtan 0 e 2tan 0 M x . 塑性区宽度 应力极限平衡区宽度 R 为 R h 2tan 0ln k H C0 tan 0 C0 tan 0 Px , 式中,h 为巷道高度;为侧压系数;k 为掘巷引起的应力集中系数;为上覆岩层的平均容重;H 为开 采深度;Px为巷道支架对煤帮的支护强度;M 为煤层开采厚度. 32 巷道围岩塑性区影响因素 由上述应力及塑性区宽度计算式可知,巷道围岩塑性区宽度及其应力分布状态和 H ,0,C0,h, Px,k 等因素有关, 因此,就护巷煤柱的稳定性来讲, 这些因素的变化,对煤柱宽度的确定起决定作用 图 5 . 33 回采引起的围岩应力及塑性区分布 同煤层巷道掘进类似, 回采工作面推进后,采煤工作面周边煤柱体应力重新分布,从煤柱体边缘到深 部,会出现破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区,围岩应力向深部转移. 同样,根据极限平衡理论可求 得回采工作面周边煤体的垂直应力分布及塑性区宽度 R0为 8 煤 炭 学 报 2002 年第 27 卷 图 5 R 与H , 0,h 的关系曲线 Fig5 The relationship curves of R and H , 0, h a 1 中硬煤层条件 C0 145 MPa,0 27 ,M 32, 04,Px 005 MPa, k 25; 2 软硬煤层条件 C0 073 MPa, 0 17,M 32, 04, Px 005 MPa, k 25; b 1 4 H 200 m,C0 15 MPa,h 32 m, 04, Px 005 MPa,k 25,0 17, 20, 26, 30; c 1 5 H 200 m, C0 15 MPa, 0 295, 04, Px 005 MPa, k 25; h 20, 28, 32, 35, 40 m y C0 tan 0e 2tan 0 M x - C0 tan 0, R 0 M 2tan 0ln K H C0 tan 0 C0 tan 0 , 式中,K 为回采引起的应力集中系数. 34 综放开采护巷煤柱的稳定性 回采与开掘巷道在煤柱边缘处会出现数倍于 H 的集中应力,而在边缘处煤柱的抗压强度比较低, 因 此,煤柱边缘部分都遭到不同程度的破坏.对于采准巷道的护巷煤柱, 回采空间 采空区侧 和回采巷道 在煤柱两侧分别形成一个宽度为 R0与 R 的塑性变形区, 当煤柱宽度 B 小于煤柱两侧形成的塑性区宽度 R0与 R 之和时,也即煤柱两侧形成的塑性区相贯通时, 煤柱将失去其稳定性,出现崩塌现象. 因此, 护 巷煤柱保持稳定的基本条件是 煤柱两侧产生塑性变形后, 在煤柱中央仍处于弹性应力状态, 即在煤柱中 央保持一定宽度的弹性核[1]. 对一次采全厚的综放工作面护巷煤柱,弹性核的宽度取两倍的巷道高度即 可.故综放工作面护巷煤柱保持稳定状态的宽度 B R0 2h R. 4 潞安矿区综放工作面护巷煤柱宽度确定实例 41 护巷煤柱宽度 潞安矿区所采煤层为 3 号煤层, 该煤层位于山西组中下部, 结构简单, 赋存稳定,煤层直接顶为黑色 砂质页岩, 老顶为灰色中、细粒石英砂岩,直接底为灰黑色砂质页岩, 老底为灰白色厚层状细砂岩.采用 综采放顶煤采煤法,回采巷道沿煤层底板掘进,巷道高度 32 m, 采用矿用 11 号工字钢支护,支架对煤 帮的平均支护强度约为 50 kPa,计算各矿护巷煤柱宽度结果见表 1. 表 1 潞安矿区采准巷道护巷煤柱宽度 Table 1 The chain pillar of the developing entry in Lu an Mining Area 工作面H / m C0/ MPa0/ h/ mM / m/ MNm- 3kK Px/ M Pa R/ m x0/ m B/ m 石圪节 2309 面20001502953266004002525350051924731305 漳村矿 1405 面16051402603267104002525350051924881320 五阳矿 7501 面311707317532681040025253500544411012185 9第 1 期贾光胜等 综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究 图 6 护巷煤柱宽度与巷道围岩变形 Fig6 The chain pillar width and the wall rock deation of the entry 1 顶、底板移近量; 2 两帮移近量 42 护巷煤柱宽度与巷道围岩变形 图 6 是对潞安矿区 3 号中硬煤层综放开采工作面不 同护巷煤柱宽度下,回采巷道围岩变形所进行的观测及 调研结果.煤柱稳定性对回采巷道的围岩变形有较大影 响. 当煤柱宽度大于 20 25 m 后,煤柱处于稳定状态, 增加或减少宽度, 对巷道围岩变形影响较小,而小于该 值, 由于煤柱失稳, 则对巷道维护状况具有明显影响, 其剧烈影响范围在 7 13 m, 该范围煤柱内的巷道,围 岩变形量较大,维护困难. 5 结 语 综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性直接影响着巷道 的维护状况,塑性区贯通是煤柱失稳的原因.开采深 度、煤层厚度、巷道高度和煤岩层的力学性质对煤柱宽 度的确定和保持煤柱稳定性起决定性作用,应用应力极限平衡理论可从理论上确定综放开采采准巷道护巷 煤柱的宽度. 综合现场观测、数值分析和理论计算结果,就潞安矿区 3号煤层综放开采工作面,中硬煤层 条件 石圪节、漳村等矿 煤柱宽度取 13 m 左右、软煤层 五阳矿 煤柱宽度取 22 m 左右即可可实现回 采煤柱的稳定性. 参考文献 [ 1] 陈炎光, 陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制 [M] . 徐州 中国矿业大学出版社, 1994. 作者简介 贾光胜 1962- , 男, 江苏沛县人, 高级工程师, 现为中国矿业大学北京校区在职博士生, 主要从事综放开采回采工 艺和矿山压力方面的研究, 发表 综放开采顶煤冒放性研究 等论文近 10篇. Study on the chain pillar stability of the developing entry in longwall topcoal mining JIA Guangsheng1,2, KANG Lijun1 1Beijing Coal Mining Research Institute, China Coal Research Institute, Beijing 100013,China; 2Beijing Campus, China University of Mining and Technology , Beijing 100083, China Abstract The entry upkeep condition is determined by the chain pillar stability of the developing entry. T he paper analyses the stress and displacement changes in the chain pillar, the pillar destabilizing reason and the fac tor of affecting the pillar stability by field observation, numerical calculation and theory analysis during the long wall top coal mining face caving, brings forward a of calculating the chain pillar width in the longwall topcoal mining face by using limiting equilibrium theory and gives a field example and the measured and statisti cal results of the pillar width and the entry wall rock deation. Key words longwall topcall mining; the developing entry; pillar; stability 10 煤 炭 学 报 2002 年第 27 卷