耿耀強(qiáng)，陳　通，黃克軍，喬懿麟

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層護(hù)巷煤柱合理寬度研究

耿耀強(qiáng)，陳通，黃克軍，喬懿麟

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

摘要：針對(duì)廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度的問題，以廟哈孤礦區(qū)安山煤礦5-2煤層護(hù)巷煤柱為研究對(duì)象，采用理論計(jì)算、工程類比、相似材料模擬等方法研究護(hù)巷煤柱寬度。結(jié)果表明：通過彈塑性極限平衡理論計(jì)算得出煤柱留設(shè)理論寬度為12 m，并對(duì)不同煤柱寬度進(jìn)行了相似模擬研究，參考工程類比結(jié)果，確定了廟哈孤礦區(qū)安山煤礦護(hù)巷煤柱合理寬度為15 m，成果創(chuàng)造了較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：淺埋煤層；護(hù)巷煤柱寬度；廟哈孤礦區(qū)；相似材料模擬

護(hù)巷煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性、資源采出率、經(jīng)濟(jì)效益等都有著十分顯著的影響，確定煤柱寬度是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要部分[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)高效開采，廟哈孤礦區(qū)回采巷道普遍采用雙巷掘進(jìn)和維護(hù)方式，相鄰工作面回采巷道之間留設(shè)煤柱。在廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層地質(zhì)條件下，礦山壓力及護(hù)巷煤柱合理寬度有其自身的特點(diǎn)[4-5]。針對(duì)廟哈孤礦區(qū)安山煤礦5-2煤層地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算、工程類比、相似材料模擬等方法，對(duì)廟哈孤礦區(qū)淺埋煤層護(hù)巷煤柱的合理寬度開展研究。

1地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件

安山煤礦為廟哈孤礦區(qū)建成的首個(gè)大型礦井，2002工作面為其二盤區(qū)首采工作面，開采煤層為5-2，煤層平均厚度2.14m，為近水平煤層，傾角0～3°，煤層底板平均標(biāo)高1166m，最大埋深129m，最小埋深16m，工作面設(shè)計(jì)地質(zhì)儲(chǔ)量158.1萬t，回采儲(chǔ)量136.4萬t，走向長(zhǎng)度2012m，傾向長(zhǎng)度270.5m。2002工作面地表植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，基巖裸露較普遍，基巖以上為第四系黃土及新近系紅土覆蓋，個(gè)別區(qū)域土層含沙較大，地形破碎，溝壑縱橫。目前，安山煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱寬度為20m。

頂板巖性大致穩(wěn)定，偽頂約0.1～0.2m，炭質(zhì)泥巖；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚3～6m；基本頂為粗粒砂巖，直接頂與基本頂在工作面大部分區(qū)域比較穩(wěn)定。煤層底板為砂質(zhì)泥巖，較穩(wěn)定，有遇水膨脹泥化特點(diǎn)。

2理論計(jì)算

煤體開挖形成煤柱以后，隨著垂直應(yīng)力不斷向深處轉(zhuǎn)移，支承壓力逐漸增大，直至達(dá)到峰值，從煤柱應(yīng)力峰值到煤柱邊界這一區(qū)段，煤體應(yīng)力已超過了屈服點(diǎn)，從煤柱邊界至支撐壓力峰值這個(gè)區(qū)域稱為煤柱的屈服區(qū)(L1和L3) 。而屈服區(qū)之間煤體稱為彈性核區(qū)(L2)[6-8]，如圖1所示。

圖1　煤柱屈服區(qū)及其彈性核區(qū)

應(yīng)用彈塑性極限平衡理論求得2002工作面采空區(qū)一側(cè)煤柱屈服區(qū)寬度L1，見式(1)。

(1)

由于采空區(qū)內(nèi)的煤柱不需要加固，故其側(cè)向約束力Px= 0 MPa，將各參數(shù)代入式(1)，經(jīng)計(jì)算得2002面采空區(qū)一側(cè)煤柱屈服區(qū)寬度L1=6.1m。

根據(jù)彈塑性理論可以求得2004面回風(fēng)巷一側(cè)煤柱屈服區(qū)寬度L3，見式(2)。

(2)

式中：r0為2002工作面輔運(yùn)順槽有效半徑，取3m；Pi為巷道一側(cè)支護(hù)阻力，取0.5 MPa，將上述各參數(shù)代入式(2)，計(jì)算可得L3=0.7m。

護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的前提是煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤層開采高度的2倍。則煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度一般表示為式(3)。

L=L1+2M+L3

(3)

將計(jì)算的L1、L3和采高M(jìn)代入式(3)，計(jì)算得：L=11.4m。

因此，通過以上計(jì)算，為保持護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性，安山煤礦工作面間護(hù)巷煤柱的寬度基本確定為12m。

3工程類比

目前，安山煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱寬度為20m，而陜北其他淺埋煤層礦井留設(shè)尺寸也各不相同，紅柳林煤礦、張家峁煤礦、檸條塔煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為19.5m左右(據(jù)西安科技大學(xué)為張家峁煤礦所做的煤柱優(yōu)化結(jié)果為：4-2煤煤柱優(yōu)化2m，5-2煤煤柱優(yōu)化1m)，韓家灣煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為14m，神華上灣煤礦12201工作面護(hù)巷煤柱為25m，到12205工作面優(yōu)化為18m。陜北地區(qū)部分礦井淺埋煤層護(hù)巷煤柱留設(shè)情況見表1。

采用工程類比法，現(xiàn)將部分煤礦工程地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比，見表2。

表1　陜北地區(qū)部分礦井淺埋煤層護(hù)巷煤柱留設(shè)情況

通過工程類比可知，安山煤礦相對(duì)于陜北韓家灣煤礦、張家峁煤礦、上灣煤礦，具有主采煤層埋深相差不大、水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜、開采高度較小等特點(diǎn)，根據(jù)韓家灣煤礦護(hù)巷煤柱寬度14m情況較好，張家峁煤礦4-2煤也將優(yōu)化為17m左右，上灣煤礦大采高工作面礦壓較大情況下留設(shè)18m，為了最大限度地安全地回收優(yōu)質(zhì)煤炭資源，通過工程類比，建議安山煤礦合理的護(hù)巷煤柱寬度為15m。

4相似材料模擬

4.1模型設(shè)計(jì)

參考安山煤礦2002工作面ZK19-12號(hào)鉆孔及安山煤礦地層綜合柱狀圖，幾何相似比為1∶50，選用5000mm×1670mm×300mm的模型架，模型開采單一煤層5-2煤層，依次從左、右向工作面護(hù)巷煤柱側(cè)開次，每次開挖步距為2cm?？紤]到模型邊界效應(yīng)的影響，模型左右兩側(cè)至少設(shè)置50cm的邊界保護(hù)煤柱。待兩側(cè)煤柱開采完畢，覆巖移動(dòng)變形穩(wěn)定后，試采工作面護(hù)巷煤柱，直至煤柱完全破壞及其周圍發(fā)生大變形。

表2　陜北地區(qū)部分煤礦工程地質(zhì)條件對(duì)比

4.2煤柱試采階段

依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，工作面間留設(shè)20m的護(hù)巷煤柱，待兩側(cè)工作面回采結(jié)束并穩(wěn)定后，對(duì)兩工作面間護(hù)巷煤柱進(jìn)行試采，每隔0.5m開挖一次，并觀察煤體及覆巖變形情況。

從右側(cè)試采煤柱推進(jìn)6m(留寬為14m)時(shí)，煤柱及表面無明顯裂隙，見圖2。

圖2　煤柱及表面無明顯裂隙

從右側(cè)試采煤柱推進(jìn)7m(留寬為13m)時(shí)，煤柱及表面開始發(fā)生片幫及微小破壞情況，煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙，并擴(kuò)展至距離底板38.75m處；同時(shí)，煤柱底板也受壓輕微破壞，見圖3。

圖3　煤柱底板破壞

從右側(cè)試采煤柱推進(jìn)9m(留寬為11m)時(shí)，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴(yán)重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落，見圖4(a)，且模型背面上部覆巖發(fā)生滑落失穩(wěn)，見圖4(b)，煤柱上覆巖層整體下沉，地表出現(xiàn)明顯彎曲下沉，見圖4(c)。

4.3位移數(shù)據(jù)分析

右側(cè)試采煤柱推進(jìn)7m(留寬為13m)時(shí)，由于煤體開始發(fā)生片幫和微小破裂，煤柱體上方覆巖逐漸下沉，及煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙；則此時(shí)，自下而上的檢測(cè)線A、B、C、D、E、F左側(cè)最大下沉量分別為-2.47m、-2.23m、-2.02m、-1.77m、-1.15m、-0.86m；右側(cè)最大下沉量分別為-2.47m、-2.23m、-1.94m、-1.82m、-1.56m、-1.05m，見圖5。

右側(cè)試采煤柱推進(jìn)9m(留寬為11m)時(shí)，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴(yán)重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落，煤柱上覆巖層整體下沉，地表出現(xiàn)整體彎曲下沉；此時(shí)，左、右兩工作面上方覆巖及地表最大下沉值趨于一致，則檢測(cè)線A、B、C、D、E、F左側(cè)最大下沉量分別為-2.47m、-2.27m、-1.98m、-1.84m、-1.60m、-1.17m，由于護(hù)巷煤柱碎漲系數(shù)較大，且殘余煤柱的支撐，則其上方覆巖及地表最大下沉量小于兩側(cè)，分別為-2.25m、-2.0m、-1.75m、-1.55m、-1.35m、-1.0m，見圖6。

圖4　煤柱整體破壞

圖5　煤柱回采7m(剩13m)時(shí)覆巖下沉曲線

圖6　煤柱回采9m(剩11m)時(shí)覆巖下沉曲線

相似模擬分析結(jié)果表明：煤柱寬度為14m時(shí)，煤柱及表面無明顯裂隙；煤柱寬度為13m時(shí)，煤柱及表面開始發(fā)生片幫及微小破壞情況，煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙，同時(shí)煤柱底板也受壓輕微破壞；煤柱寬度為11m時(shí)，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴(yán)重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落，建議安山煤礦工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為14m。

5護(hù)巷煤柱寬度確定

5.1護(hù)巷煤柱寬度確定

運(yùn)用彈塑性極限平衡理論計(jì)算法理論確定安山煤礦合理的護(hù)巷煤柱寬度為12m，工程類比法確定安山煤礦合理的護(hù)巷煤柱寬度為15m；相似模擬分析結(jié)果確定安山煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)合理寬度為14m?？梢钥闯鋈N不同方法得出的護(hù)巷煤柱寬度范圍為12～15m，其中基于彈塑性極限平衡理論得出的護(hù)巷煤柱寬度最小，工程類比法得出的護(hù)巷煤柱寬度最大，這是由于應(yīng)用彈塑性極限平衡理論計(jì)算的煤柱寬度是受一次采動(dòng)影響，相似模擬研究的護(hù)巷煤柱寬度是受二次采動(dòng)影響，而工程類比法是類比相似條件礦井的煤柱寬度，各礦在實(shí)施過程中從安全的角度出發(fā)均給予一定的安全系數(shù)。綜合以上研究結(jié)果確定廟哈孤礦區(qū)安山煤礦淺埋煤層相鄰工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為15 m。

5.2經(jīng)濟(jì)效益分析

通過研究，認(rèn)為安山煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱在現(xiàn)有的支護(hù)基礎(chǔ)上合理寬度為15m，對(duì)比原護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度20m，每個(gè)工作面護(hù)巷煤柱寬度優(yōu)化5m，節(jié)約了寶貴的煤炭資源。

以安山煤礦2008工作面為例，2008工作面走向長(zhǎng)度3086m，則增加煤炭資源3086×5×2.3×1.4=49684.6 t，可增加產(chǎn)值993.7萬元(按原煤200元/t計(jì)算)。安山煤礦后續(xù)仍可布置數(shù)十個(gè)工作面，可增加產(chǎn)值上億元，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

6結(jié)論

1)運(yùn)用彈塑性極限平衡理論計(jì)算法計(jì)算得出安山煤礦合理的護(hù)巷煤柱寬度為12m。

2)采用工程類比法，對(duì)比陜北地區(qū)淺埋煤層的韓家灣煤礦、張家峁煤礦、上灣煤礦等，確定安山煤礦合理的護(hù)巷煤柱寬度為15m。

3)煤柱寬度為14m時(shí)，煤柱及表面無明顯裂隙；煤柱寬度為13m時(shí)，煤柱及表面開始發(fā)生片幫及微小破壞情況，煤柱上方地表發(fā)育下行豎直裂隙，同時(shí)煤柱底板也受壓輕微破壞；煤柱寬度為11m時(shí)，煤柱體被壓碎破壞，底板嚴(yán)重破壞，煤柱頂板基巖發(fā)生大范圍垮落。相似材料模擬確定安山煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為14m。

4)綜合研究成果確定廟哈孤礦區(qū)安山煤礦相鄰工作面護(hù)巷煤柱寬度為15m。

5)研究成果創(chuàng)造了較大的社會(huì)效益、技術(shù)效益及經(jīng)濟(jì)效益，平均一個(gè)工作面面優(yōu)化煤柱后可減少5萬t煤炭資源的損失，可增加產(chǎn)值993.7萬元。

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Research into rational width of chain coal-pillar of shallow coal seam in Miaohagu mining area

GENG Yao-qiang，CHEN Tong，HUANG Ke-jun，QIAO Yi-lin

(Shaanxi Coal & Chemical Technology Institute Co.，Ltd.，Xi’An 710065，China)

Abstract:For studying the problem of rational width of chain coal-pillar of Shallow Coal Seam in Miaohagu mining area，taking the chain coal-pillar of 5-2 coal seam in Anshan Mine of Miaohagu mining area as research object，this paper studied the width of chain coal-pillar using the methods of theoretical analyses，engineering analogy and similar material simulation.The results of this study showed：coal-pillar setting width was 12 m through plastic limit equilibrium theory.Different coal pillar widths were simulated，it was comprehensively determined that coal-pillar setting width is 15 m through referred result of engineering analogy.The research results create great social and economic benefits.

Key words：shallow coal seam；chain coal-pillar width；Miaohagu mining area；similar material simulation

收稿日期：2015-07-15

作者簡(jiǎn)介：耿耀強(qiáng)(1987-)，男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程，碩士研究生，現(xiàn)在陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司主要從事采礦技術(shù)研究工作。E-mail：gengyq@sxccti.com。

中圖分類號(hào)：TD822.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)01-0097-04