特厚煤层综放工作面合理区段煤柱宽度研究.pdf

第 6 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 6 2020 年 6 月 Shanxi Coking Coal Science 综放工作面;区段煤柱;支承压力 中图分类号TD822 . 3 文献标识码B 文章编号1672-0652202006-0010-04 特厚煤层合理的区段煤柱宽度能够保证煤柱的 稳定,使工作面安全回采,在此基础上应尽可能地缩 短区段煤柱的宽度,以实现煤炭资源开采的可持续 性[1]. 刘金海、姜福兴等[2]以新巨龙矿井特厚煤层综 放工作面为工程背景,综合考虑巷道支护、资源回收、 次生灾害控制、冲击地压防治等因素,确定该矿深井 特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽 度为 5. 0 7. 2 m. 陈绍杰、郭惟嘉等[3]以建新矿 13煤层为研究 背景,通过物理试验及数值模拟软件的手段对不同煤 柱宽度下回采时煤柱的稳定性和煤柱的应力进行了 分析,确定该矿 20 m 的煤柱宽度可保持煤柱的稳定 性。 以斜沟煤矿具体的生产地质条件为背景,采用不 同的理论计算方法得出煤柱宽度,并通过数值模拟的 方法对不同宽度煤柱在回采过程中的应力分布情况 进行分析,得到合理的煤柱宽度。 1 工程概况 斜沟煤矿 23112 综放工作面即将回采结束,需进 行下区段 23110 综放工作面的准备作业。 23110 工 作面的南侧西侧均为实体煤,所采 13煤层的倾角为 7. 1,普氏硬度为 2 3,煤厚 14. 52 15. 15 m, 平均 14. 79 m. 煤层上方为可见黄铁矿结核,厚 01. 53 m, 平均 0. 99 m 的沙质泥岩直接顶,直接顶上覆有厚度 7. 4 m 呈灰白色的中细粒砂岩基本顶;泥岩基本底和 碳质泥岩直接底的厚度分别为 9 m 和 2. 1 m. 2 23110 综放工作面合理区段煤柱宽度的理论计算 合理的区段煤柱宽度应使顺槽处于侧向支承压 力的应力降低区内,保证回采巷道的稳定,并要求煤 柱宽度能够隔绝上区段的采空区,即在保证安全的前 提下尽量提高回采率。 2. 1 经验估算法 经验估算法认为上区段工作面回采且顶板垮落 稳定后,会导致下区段煤层上方支承压力的重新分 布[4],如图 1 所示,煤层距离上区段工作面采空区由 近及远会形成减压带、支撑压力升高带、压力高峰带、 支承压力下降带和原岩应力带。 原则上应将所留设 煤柱及回采巷道布置在原岩应力带内,避开高于原岩 应力压力的区域,即可使所留设的煤柱及回采巷道承 受较低的支承压力,使其便于维护。 所留设煤柱边缘距支撑压力高峰带顶点的距离 L 可由经验公式1计算得到 L 15. 015 - 0. 475f - 0. 16Rc1- 0. 199ξ 1. 593m 1. 7 10 -3 H1 图 1 煤柱侧向支承压力分布条带图 式中 L所留设煤柱边缘距支撑压力高峰带顶点的 距离,m; f所留设煤柱煤体的坚固性系数,取 2; Rc1煤 层 直 接 顶 的 单 轴 抗 压 强 度, MPa, 取 70. 8; ξ该特厚煤层的平均倾角,,取 5; m该特厚煤层的采高,m,取 4. 6; H所采煤层的埋深,m,取 313. 将上述参数代入式1 即可计算得到 23110 工 作面与 23112 采空区之间所留设煤柱边缘距支撑压 力高峰带顶点的距离 L 为 9. 6 m. 实体煤内受采动影 响而形成的侧向支承压力基本上呈对称分布,即支承 压力升高带、高峰带与下降带的总宽度应为 2 倍的煤 柱边缘距支撑压力高峰带顶点的距离。 经验估算法 应将 巷 道 布 置 在 这 一 区 域 外, 即 煤 柱 宽 度 L1≥ 19. 2 m. 2. 2 载荷估算法 载荷估算法认为留设区段煤柱后,煤柱会承受 两部分载荷,即采空区残留破断顶板传递的载荷和煤 柱覆岩自身载荷[5]. 合理的煤柱宽度应保证能够承 载这两部分的载荷之和,见图 2. 图 2 区段煤柱受载示意图 通过式2 可以计算出煤柱体单位长度所承受 的总载荷 P [L2 D H - 0. 25D2cotψ]ρg2 式中 P留设煤柱所承受的总载荷; L2所留设区段煤柱的宽度,m; D上区段采空区宽度,m,取 180; ψ所采煤层直接顶的自然垮落角,,取 42; ρ直接顶岩层容重,g/ cm3,取 1. 99; g9. 8 N/ kg. 在得到留设煤柱所承受的总载荷后,即可通过式 3计算得到煤柱单位宽度上的载荷 σ σ P L2 ρg L2 [L2 D H - 0. 25D2cotψ] 3 而煤柱极限载荷的计算公式见式4 R Rc20. 778 0. 222 L2 h 4 式中 R煤柱极限载荷; Rc2所采 13煤单轴抗压强度,MPa,取 16. 4; h所留设区段煤柱的高度,m,取 4. 6. 联立上式即可得到载荷估算法条件下合理煤柱 宽度应满足的条件为 σ ≤ R, 即煤柱能承受的极限强 度要大于煤柱所承受的平均载荷。 通过计算得到载 荷估算法条件下,23110 工作面留设的区段煤柱宽度 L2≥19. 6 m. 2. 3 弹性核理论计算法 弹性核理论[6]认为合理的煤柱宽度应保证上 区段回采及下区段掘进后煤柱两侧产生塑性形变后, 煤柱中央有一定宽度的弹性区保证煤柱的稳定,弹性 区的宽度应大于等于二倍的煤层采高,即合理煤柱宽 度由式5计算得到 L3 x 0 2m x15 式中 L3弹性核理论下区段煤柱的合理宽度,m; x0煤柱在上区段工作面回采时形成的塑性区 宽度,m; x1煤柱在下区段回采巷道掘进时形成的塑性 区宽度,m; m该特厚煤层的采高,m,取 4. 6. 由极限平衡理论,x0的计算公式见式6,x1的 计算公式见式7 x0 m 2ξf0 ln HKγ Ccotφ Ccotφ 6 112020 年第 6 期张建民特厚煤层综放工作面合理区段煤柱宽度研究 式中 ξ由 ξ 1 sinφ 1 - sinφ 计算得到的三轴应力系数; f0砂质泥岩直接顶与 13煤层间的摩擦因数, 取 0. 64; K应力集中系数,取 1. 4; γ23110 工作面覆岩体积力的平均值,kN/ m3, 取 18; C该特厚煤层内聚力,MPa,取 1. 3; φ该特厚煤层内摩擦角,,取 30. 48. 计算得到 x0 7. 38 m. x1 2 m1 - 3α f01 3α ln HKγ Ccotφ 1 - 3α 1 3α px 2β 1 - 3α Ccotφ 7 式中 px煤柱帮的支护阻力,MPa,取 0. 2; α、βMises 准则系数,分别取 0. 16、0. 73. 计算得到 x1 2. 41 m. 通过以上计算可以得到弹性核理论中 23110 合 理区段煤柱宽度 L3应为 18. 99 m. 上述 3 种计算方法所得到的区段煤柱宽度结果 不同,为了充分保证矿井开采的安全,区段煤柱的宽 度应选取上述计算的最大值,即 23110 综放工作面区 段煤柱应≥19. 6 m,为了记录施工方便,确定区段煤 柱宽度为 20 m. 3 23110 综放工作面合理区段煤柱数值模拟研究 3. 1 建立模型 以斜沟煤矿 23110 工作面区段煤柱的宽度为研 究对象,借鉴类似综放工作面区段煤柱留设的数值模 拟研究,在 23110、23112 综放工作面具体参数的基础 上,运用 FLAC3D软件建立高 80 m、长 180 m、宽 70 m 的模型,见图 3,并在其周围施加位移边界。 研究上 区段工作面回采时及下区段工作面回采时 14 m、 16 m、18 m、20 m、22 m 和 24 m 区段煤柱内的应力分 布情况,得到最优解,确定合理的宽度。 3. 2 不同宽度煤柱内部应力分布情况分析 不同宽度煤柱在上区段综放工作面回采时的支 承压力分布曲线见图 4. 由图 4 可发现不同宽度的 煤柱在上区段综放工作面回采时所受峰值支承压力 相差不大。 区段煤柱宽度为 14 18 m 时,煤柱内部 图 3 区段煤柱宽度研究模型图 在上区段综放工作面回采时所承受的支承压力峰值 基本相同,约为 32. 7 MPa;区段煤柱宽度为 2024 m 时,煤柱内部承受约为 32. 8 MPa 的最大支承压力。 但是留设区段煤柱宽度≤18 m 时,煤柱内发生应力 集中的位置靠近下区段的回采巷道,增加了下区段回 采巷道的支护及维护成本;煤柱宽度留设为 2024 m 时,煤柱内发生应力集中的位置靠近上区段的采空 区,下区段回采巷道一侧承受的支承压力较低,避免 下区段回采巷道受上区段工作面的采动影响而增加 维护成本。 图 4 不同宽度煤柱在上区段回采时的支承压力分布图 图 5 不同宽度煤柱在下区段回采时的支承压力分布图 不同宽度煤柱在下区段综放工作面回采时的支 21山 西 焦 煤 科 技2020 年第 6 期 承压力分布曲线见图 5. 由图 5 可发现上区段回采 结束下区段工作面回采过程中,应力集中现象更为剧 烈,但煤柱内部支承压力峰值随煤柱宽度的增加而减 小。 区段煤柱宽度为 20 m、22 m、24 m 时平均最大支 承压力为 54. 5 MPa,较煤柱宽度为 14 m、16 m、18 m 时平均最大支承压力下降 35. 并且区段煤柱宽度 为 14 m 和 16 m 时,煤柱中部承受较高的支承压力, 其曲线呈“单峰型”;当区段煤柱宽度为 2024 m 时, 煤柱中部没有高强度的应力集中,存在一定宽度的弹 性核,其支承压力曲线呈“马鞍型”;22 m、24 m 宽的 区段煤柱下煤柱所受支承压力并没有大幅减小,煤柱 中央弹性核的宽度没有明显增加。 故确定斜沟煤矿 23110 综放工作面应留设 20 m 的区段煤柱。 3. 3 20 m 区段煤柱应用效果分析 23110 综 放 工 作 面 与 23112 工 作 面 之 间 留 设 20 m 宽的区段煤柱,待上区段回采结束垮落稳定后, 于 23110 工作面的回风顺槽内煤柱一侧布置一组钻 孔应力计测点,煤柱内部 2 18 m 深度上每递增 2 m 布置一个钻孔应力计,共 9 个。 23110 综放工作面回 采至距测点 15 m 和 5 m 时区段煤柱内支承压力分布 曲线图见图 6. 图 6 23110 综放工作面回采过程中 20 m 煤柱内部支承压力分布曲线图 由图 6 可知,23110 综放工作面回采至距测点 15 m 和 5 m 时,煤柱内侧向支承压力峰值分别为 17 MPa 和 49 MPa,即距工作面越近煤柱所受支承 压力越高;但是 测点距工作 面不同距离 时煤柱内 部发生应力集 中的位置基 本相同,图 6 中煤柱距 工作面 15 m 和 5 m 时 煤 柱 内 部 存 在 11. 6 m 和 10 m 宽的弹性核,宽度大于 2 倍煤层采高 9. 2 m, 故 20 m 宽煤柱可以保证 23110 综放工 作面的安 全回采。 4 结 论 以斜沟煤矿 23110 综放工作面留设区段煤柱为 背景,通过经验估算法、载荷估算法和弹性核理论计 算并辅以数值模拟软件验证等多种手段确定了合理 的区段煤柱宽度为 20 m. 23110 综放工作面回采过 程中煤柱内布置的钻孔应力计测点监测结果显示,回 采过程中煤柱内支承压力曲线呈现“马鞍型”,且煤 柱中部存在宽度大于 2 倍采高的弹性核,可以保证 23110 综放工作面的安全回采。 参 考 文 献 [1] 段文超,王友壮,胡旭芳,等. 综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计[J]. 山西焦煤科技,2010,34722-25. 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