深部厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究.pdf

★ 煤炭科技 ． 开拓与开采 ★ 深部厚煤层工作面沿空 掘巷合理煤柱尺寸研究 米 文 宝 魏辉 1 ．河北 煤矿 安全监 察局 冀 东监察 分局 ，河 北省唐 山市 ，0 6 3 0 0 0 ； 2 ．山东科技 大学矿业与安全工程学院，山东省青 岛市，2 6 6 0 0 O 摘 要 针对 唐 山煤矿 Y4 8 5里工作 面 沿空掘 巷 留设 煤 柱 尺寸 问题 ，分析 了采 空 区侧 的 支承压 力分 布规律 ，初 步探 究 了沿 空侧 最优 掘 巷位 置 。通 过 F L AC 3 D 数值 模 拟 对采 空 区侧 垂 直应 力分布 进行 模拟 计算 ，得 出了应 力 降低 区范 围为 0 ～ 8 m，并分 别模 拟 了不 同煤柱 宽 度下垂直应力的分布规律 ，综合考虑确定工作 面沿空掘巷煤柱留设尺寸为 5 m，不仅可以保 持巷 道 的稳 定性 ，还 可以最 大 限度 的减 少煤 炭 资源的损 失。 关键 词 深部 开采厚 煤层 沿 空掘巷煤 柱尺 寸数 值模 拟 中 图分类 号TD 3 5 3 文献 标识 码 A Re s e a r c h o n r e a s o n a b l e pi l l a r wi dt h o f r o a d wa y d r i v i n g a l o n g n e x t g o a f i n d e e p a nd t hi c k s e a m M i W e nb a o ，W e i Hu i 1 ．He b e i C o a l Mi n e S a f e t y S u p e r v i s i o n B u r e a u J i d o n g Mo n i t o r i n g S t a t i o n s ， T a n g s h a n ， He b e i 0 6 3 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Mi n i n g a n d S a f e t y En g i n e e r i n g，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Q i n g d a o ， S h a n d o n g 2 6 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t To d e t e r m i ne t he r e t a i ni n g pi l l a r wi d t h o f r o a dwa y d r i v i n g a l on g ne x t g o a f i n Y48 5 i n ne r wo r ki ng f a c e of Ta ng s h a n Co a l M i n e，t h e di s t r i bu t i o n l a w o f s up p or t i ng p r e s s u r e s i n r o a d wa y b e s i de g o a l wa s a na l y z e d，a nd t he o pt i m a l r o a d wa y d r i v i n g p os i t i on a l o n g n e x t g o a l wa s s t ud i e d ． The v e r t i c a 1 s t r e s s di s t r i bu t i o n i n t he r o a d wa y b e s i d e go a f wa s c a l c u l a t e d b y FLAC3 D n um e r i c a l s i m u l a t i on。 whi c h c o nc l u d e d t ha t t h e r a n ge o f s t r e s s r e l a x e d a r e a wa s 0～ 8 m ．t he n t h e di s t r i bu t i o n l a ws of v e r t i c a l s t r e s s un de r t he c o nd i t i on s o f di f f e r e nt c o a l p i l l a r wi d t hs we r e s i m u l a t e d． By o v e r a l l c on s i d e r a t i on，t he pi l l a r wi d t h of r oa dwa y d r i v i ng a l o ng ne x t g o a f wa s d e t e r mi ne d a s 5 m ，whi c h c o ul d n ot o nl y ke e p t he s t ab i l i t y o f t he r o a dwa y，bu t a l s o r e d uc e t h e wa s t e of c o a l resou rces． Ke y wo r d s d e e p mi ni ng， t h i c k c o a l s e a m ， r o a dwa y d r i v i ng a l o ng ne x t g o a l ， c o a l p i l l a r wi dt h。n um e r i c a 1 s i mul a t i o n 在 深部 开 采 过 程 中 ，受 到高 地 应 力 、高 地 温 、 高瓦斯等影响，开采难度逐渐增加 。因此 ，为了最 大 限度 地开 采深 部煤炭 资 源 ，必 须进 行合理 的开采 设 计 ，将遗 留 的煤炭量 减小 到最 低程 度 。在 深 部工 作面开采期间，相邻工作面之间的煤柱留设 问题在 开采 设计 中尤 为重 要 ，煤柱 宽度 留设不 合理 将会 影 响工 作 面 采 掘 期 间 巷 道 的稳 定 性 。煤 柱 宽 度 较 小 时 ，巷 道 对 支 护 的要 求 就 会 提 高 ；煤 柱 宽 度 较 大 深部厚煤层工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究 时 ，不仅增 加煤 柱 的承受 载荷 ，而且浪 费宝 贵的煤 炭资 源 。尤其 是在深 部厚 煤层 矿井 中 ，煤柱 留设不 合理 会导 致巷 道变形 加剧 、支 护 困难 、冲击地 压频 发等 问题 ，严 重影 响工作 面 的安全开采 。 目前 ，已有许多专家对煤柱的留设宽度进行了 研 究 ，但 大都是 常规 情况下 的煤 柱 留设 宽度 ，对深 部 厚煤 层条 件下 的煤 柱 留设 宽度研 究较 少 ，而 具有 深 部 和厚煤 层双 重复 杂条件 下 的工作面煤 柱 留设将 6 7 会更 加 困难 ，不 仅要 考虑 最优 留设 宽度 ，还要 防止 深 部高 地应 力导 致 冲击地 压 的发生 。本 文 以唐 山矿 Y4 8 5里工作面为研究对象 ，对工作面之间的煤柱 最优 留设宽度 进行研究 ，在 保证巷道稳定 的前提 下，设计最优 的煤柱尺寸 ，确保工作 面的安全开 采 ，并节 省 大量煤 炭 资源 。 1 工作 面概 况 唐 山矿 Y 4 8 5里 工作 面 开 采 深 度 平 均 8 5 0 m， 开采煤 层为 8 、9 合采 煤层 。工作 面走 向长度 7 6 2 ． 5 m，倾 向长 度 1 3 0 m。煤 层 厚 度 平 均 7 m， 煤层平均倾角 2 4 。 ，普 氏硬度系数 1 ． 9 7 。煤块呈条 带 状 ，破碎 后 呈 不 规 则状 断 口，煤 层 中含 有夹 矸 ， 局 部 受断 层及 沉 积 影 响 夹 石 厚 度 可 达 到 3 ． 5 m 以 上，煤体含水率较低 ，吸水性极差。Y4 8 5里工作 面相邻为 Y4 8 6里工作面采空区，具体工作面布置 如 图 1 所 示 。 图 1 Y 4 8 5里工作面布置示意 图 煤层直接顶 为 4 ． 9 m 的深灰色粉砂 岩，脆性 较大 ，上 部 含 植 物 化 石 ；基本 顶 为 4 ． 7 m 的 深 灰 色细 砂 岩 ，成 份 以石 英 为 主 ，局 部 含 钙 质 ，较 坚 硬 ；煤层直接底为 1 ． 4 m 的碳质泥岩 ；基本底为 平均 7 ． 5 m 的粉砂 岩 。 2采 空 区侧 向应 力分 布 规律研 究 工 作 面 回采 完毕 后 ，在工 作面 采空 区附 近会 出 现 较高 的应 力集 中现象 。 因上 覆岩 层 的 自重 作用 和 采动影响 ，工作面顶板较坚硬 的岩层会 出现不同程 度 的断裂 ，这种 断 裂过程 直 接影 响着采 空 区周 围巷 道的稳定性。若在采空区侧布置下一个工作面的服 务巷 道 ，巷道 受 到顶板 自重 和开采 扰 动 ，就 会 出现 更加复杂的应力叠加现象。此时 ，下个工作面巷道 的开 挖位 置就 显得 尤为 重要 ，采 空 区和巷 道之 间 的 小煤 柱则 是整 个 开挖 的关键 ，不 仅要 维持 巷道 的稳 6 R 定性 ，还要使巷道承受较小的集中应力 ，防止开采 过 程 中发生 冲击地 压事故 。 根据采空区侧煤体的受力大小 ，从采空区侧依 次分为应力降低 区 A 、应力急增 区 B 、应力 缓 降区 C和应力 原始 区 D ，如 图 2所示 。 图 2采 空 区 侧 向 支 承 应力 分 布 曲线 从 图 2中可 以看 出 ，在 采空 区顶板侧 向压力影 响下 ，靠 近采 空 区边 缘 的 A 区域 煤 体 处 于 破 碎 状 态 ，煤体 承受 的应力 不大 ；随着 煤体 的破碎 程度 逐 渐减小，煤体所承受的应力急速增加，B区域的应 力 能够达 到 2 ～3倍 的原 岩 应力 ；C 区域 因远 离 采 空区，煤体大部分保持弹性变形状态 ，在侧向支承 应力达到峰值后随距离增加开始缓慢下降，逐渐降 低 至原始 应力 区 D并保 持稳定 。 若 要 在 采 空 区侧 进 行 下 个 区段 的巷 道 掘进 工 作 ，首先要保证巷道的稳定性 ，最好将巷道布置在 低应力区。若在 A 区域 的 I位置开挖巷道 ，巷道 位于侧 向应力的内应力区，属于应力降低区，在此 区域 内布置 巷道 对煤 体支 承压 力 的影 响较 小 ，引起 的 围岩应力 扰 动和支 承压 力变 化不 大 ，不 会 引起 冲 击地 压 事 故 。若 在 应 力 增 高 区 B 内 Ⅱ位 置 布 置 巷 道 ，巷道周 围的集 中应力 与采 空 区侧 的应 力相 互叠 加后 ，形成更高的支承压力，巷道在高应力和煤柱 应力 的双重作用下 ，就容易发生煤柱失稳，造成巷 道 的 冲击 破坏 。 因此 ，为保证 巷道 位置 的合理 选取 ，就要 研 究 采 空 区与巷 道之 间煤柱 的 留设 宽度 ，将 巷道 布置 在 低 应力 区 内 ，不仅 能够 保持 巷道 的稳定 性 ，还可 以 减 轻巷 道 的维护 工作 。 3沿空掘 巷煤柱 宽度 模拟 分析 3 ． 1 模 型的 建立 利用 F L AC 3 D数值模拟软件模拟采空 区侧沿 空掘 巷 留设 不 同宽度 煤柱 时 ，巷道 的变 形情 况及 稳 定性 。根据 Y4 8 5里工作面的实际地质情况 ，建立 模 型尺 寸 为 2 0 0 m5 0 m5 0 m 长 宽 高 ， 共划 分 为 5 0 0 0 0 0个 网格 单 元 。巷 道 埋 深 按 8 5 0 m 中 国 煤 炭 第 4 2卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 计 算 ，在 模 型 顶 板 施 加 上 覆 岩 层 自重 应 力 2 1 。 2 5 MP a ，模型四周边界为单约束边界 ，下部边 界为 全约束 边界 ，即水平 和垂 直方 向均 固定 ，上 部 边 界为 自由边界 。采 用 摩 尔 一库 伦 准 则进 行 计算 ， 具体岩层力学参数如表 1 所示 。 表 1煤层顶底板岩层 力学参数 岩层 厚度／ m 体 剪切模量 f GP a 内聚力 ／ M Pa 内摩擦角 ／ 。 密度 ／ k gr n一 。 抗压强度 ／ MPa 粉砂岩 泥 岩 细砂 岩 粉砂岩 泥 岩 煤 层 泥岩 粉砂 岩 3．1 1 2． 92 3． 33 3． 11 2． 92 1 ． 27 2 ．92 3． 11 1 ． 55 1 ． 35 2 ． 0 1 ． 55 1 ． 35 0． 49 1 ． 35 1． 55 3 ． 2采 空 区侧 垂直 应 力分析 Y4 8 6 工作面回采结束后 ，根据模型计算得 出 工作面采空区侧垂 直应力 的分布规律如 图 3所示。 从图中可以看 出，在采空区边缘处煤体的垂直应力 最 小 ，随着距 采 空 区边 缘距 离 的增大 ，应 力逐 渐增 加 ，在距 采 空 区边 缘 约 8 ～9 m 处 垂直 应 力 有小 幅 度下降，此 区域 为 应 力 降 低 区；在 距 采 空 区约 1 6 m的位 置达 到应 力 最大 值 为 4 5 ． 3 MP a ，应力 集 中系数达 到 2 ． 3 8 。垂 直应 力在 距采 空 区 4 0 m 左 右 时达到原岩应力状态。根据模拟结果初步判断 ，巷 道应 布置 在采 空 区侧应 力 的 内应 力场 中 ，在 考 虑巷 道宽度的基础上 ，煤柱 的宽度应小 于 7 ～8 I n ，使 得巷道位于低应力 区内。 时 墨 图 3采 空 区 侧 垂 直 应 力 分 布 曲线 3 ． 3煤 柱 留设 宽度 分析 根 据 沿空侧 巷道 支护 原则 ，为 使锚 杆等 起到支 护作用 ，煤柱不 应小 于 3 m。故模 拟煤 柱 宽度 分别 为 3 m，4 m，5 r n，6 m 和7 m情况下煤柱的垂直 应力分布 ，确定最优的煤柱尺寸。在煤柱 内布置测 点进行 监测 ，得 出如 图 4所示 的不 同煤 柱宽 度下 的 垂直 应力 分布 曲线 。 深部厚煤层工作 面沿空掘巷合理煤柱尺寸研 究 O l 2 3 4 5 6 7 煤柱宽度／ m 图 4 不 同煤柱宽度 的垂直应力曲线 由图 4可知，煤柱宽度 3 m 时，因靠近采空 区 ，煤 柱 破 碎 程 度 较 大 ，所 承 受 的 垂 直 应 力 为 1 4 ． 2 MP a ；煤柱宽度 4 r r l 时 ，煤柱上方垂直应力 稍微增 加 ，大约 为 1 7 MP a ；煤柱 宽 度 5 m 时 ，垂 直应力最大值达到 1 8 ． 5 MP a ，接近原岩应力；当 煤 柱 宽度 为 6 ～7 r n时 ，因距 采 空 区较 远 ，煤 柱 所 承受 的载荷 逐渐 增大 ，最 大值 分别 为 2 1 ． 6 MP a和 2 3 ． 7 MP a ，均超过原岩应力 ，若支护不合理或受 采动影响 ，可能会发生冲击地压。综合以上分析， 考 虑锚 杆支 护 的极 限长 度和 资源 的合 理利 用 ，选 择 宽 度为 5 m 的煤 柱 ，不 仅 能 够 最 大 程 度 维 持 巷 道 的稳定性，消除巷道冲击危险，而且可以节省较多 的煤炭资源 。 4工 程验证 为 验证煤 柱 留设宽 度 的合 理 性 ，在 Y4 8 5里 工 作面运输巷采用十字布桩法进行 了围岩变形观测， 对 顶底 板及两 帮变 形量 进行 了实 时监 测 ，在约 3 0 d 时 巷 道 顶 板 下 沉 量 为 1 5 0 mm，两 帮 移 近 量 为 69 2 O 5 2 O 9 O 2 2 2 2 2 2 l 2 2 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 鹊 站 ∞ O O O O O O O O 5 2 8 5 2 2 2 5 9 4 8 3 6 7 2__ 加 2 m 5 0 B d 苫＼ 删 2 3 0 mm，围岩变形 量 基 本 保 持 稳定 ，能 够 满 足 矿 井 正 常生 产要 求 。 5 结论 1 根据 采 空区侧 垂直 应力 的理论 分 析 ，在 靠 近采空区一定范围内因煤体破碎程度较大 ，存在应 力降低区 ，考虑煤柱受力原则和巷道便于维护 ，应 将 巷道 布置 在低 应力 区 内 ，而 避免将 巷道 布置 在应 力增高区，加大巷道的受压载荷，增加支护难度。 2 利用数值模拟分析了采空区垂直应力分布 曲线 ，得 出应 力降 低 区范 围在 0 ～8 m 范 围 内 ，并 分别研究 了煤柱宽度为 3 m、4 m、5 m、6 m 和 7 m 条件下煤柱的垂直应力变化情况 ，在巷道支护 要求和资源合理利用的前提下，确定沿空巷道留设 煤柱的最优尺寸为 5 m，能够最大程度 的保持巷道 稳 定 ，减小 了煤 炭资 源 的损失 ，保证 了巷 道 的安全 使 用 。 参考文献 [ 1 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四部门发文引导煤企减量生产 国家 发改 委 、人社 部 、国家 能源局 、国家煤监 局 日前联 合发 布 关 于进一 步规 范和 改善煤 炭生 产 经 营秩序 的通 知 。通 知 提 出 ，引 导 煤 炭 企 业减 量 生产 。从 2 0 1 6年 开 始 ，全 国所有 煤 矿 按 照 2 7 6个 工作 日重新确定生产能力 ，即直接将现有合规产能 乘以 0 ． 8 4的系数后取整，作为新的合规生产能力。 通 知指 出 ，2 0 1 5年 以来 ，部 分 煤 炭 企 业 为 挤 占市场 份额 ，采 取超 能力生 产 、以量 补价 、低 价倾 销等措施维持生产运行 ，不仅严重冲击了正常的煤 炭生产经营秩序 ，而且加剧了市场供需失衡 ，加重 了行业 困难 。 通知明确 ，煤矿要严格按照重新确定的产能组 70 织 生产 ，不得 超能 力 、超强 度生 产 。为防 止超 能力 生 产 ，保证 职工 正常节 假 日休假 休息 ，原 则上 法定 节假 日和周 日不安 排生 产 。煤矿 企业要 建 立考 核奖 惩 制度 ，严禁 向煤 矿下 达超 法定 生产 能力 的生 产经 营指标 。 通知提出，建立健全煤炭企业诚信指标评价体 系 ，将煤矿落实减量生产、法定节假 日和周 E l 不安 排生产情况列入企业诚信记录。对于诚信意识强 、 信用 记 录优 良 的煤 矿 ，在 行 业评 先 方 面 给 予 倾 斜 ； 对诚 信意 识差 、违 反作 业 时间 、超能 力生 产等 规定 的煤矿 ，在 行 业 评 先 方 面 要 予 以惩 戒 ，并 向社 会 公 示 。 中国煤炭第 4 2卷第 6期 g O I 6年 6月