李來(lái)源

(陜西神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719319)

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★ 煤炭科技·開(kāi)拓與開(kāi)采 ★

淺埋深厚煤層護(hù)巷煤柱合理尺寸研究

李來(lái)源

(陜西神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719319)

為減小護(hù)巷煤柱寬度，提高盤(pán)區(qū)采出率，在分析受采動(dòng)影響的203工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)淺埋深巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯的實(shí)際情況，通過(guò)理論計(jì)算，得出隆德礦2#煤層合理的護(hù)巷煤柱寬度為8.3～12.2m；采用FLAC3D數(shù)值模擬分析了護(hù)巷煤柱寬度為8m、10m、12m、16m時(shí)的巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。分析結(jié)果表明，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖變形量減小，煤柱更加穩(wěn)定，但當(dāng)煤柱寬度超過(guò)12m時(shí)，加大煤柱寬度對(duì)維護(hù)巷道的穩(wěn)定作用并不明顯，最終確定護(hù)巷煤柱寬度為12m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，煤柱留設(shè)寬度減至8m后，仍可滿足下一工作面安全開(kāi)采要求。

淺埋煤層 厚煤層 護(hù)巷煤柱 彈性核區(qū) 煤柱寬度

護(hù)巷煤柱寬度的留設(shè)是煤礦盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，也是困擾煤礦安全生產(chǎn)的重要技術(shù)難題之一。受動(dòng)壓影響回采巷道的礦壓顯現(xiàn)程度與煤柱寬度有較大的關(guān)系，煤柱尺寸過(guò)小，其自身承載能力低、穩(wěn)定性差、易破壞，使巷道因失去支撐體而難以維護(hù)；煤柱尺寸過(guò)大，雖可降低巷道的礦壓顯現(xiàn)程度，減少頂板災(zāi)害的發(fā)生次數(shù)，但煤炭損失嚴(yán)重，采出率低。隆德煤礦回采巷道普遍選用雙巷掘進(jìn)和維護(hù)的方式，在相鄰工作面回采巷道之間留設(shè)20 m的煤柱。根據(jù)淺埋深煤層巷道的礦壓顯現(xiàn)特征，并結(jié)合工作面推進(jìn)過(guò)程中的巷道實(shí)際觀測(cè)情況，發(fā)現(xiàn)在20 m煤柱的支撐作用下，在經(jīng)過(guò)二次采動(dòng)后，巷道沒(méi)有發(fā)生較大的變形和破壞。為解決盤(pán)區(qū)開(kāi)采過(guò)程中的區(qū)段煤柱留設(shè)過(guò)大的問(wèn)題，提高煤炭采出率，在分析綜采工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，在不改變巷道原支護(hù)參數(shù)的條件下，優(yōu)化區(qū)段煤柱寬度，以實(shí)現(xiàn)煤礦的安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

203工作面煤層厚度為3.25～4.6 m，平均3.9 m；煤層平均傾角為2°，工作面埋深平均190～200 m。上覆巖層直接頂為粉砂巖，厚度為1.4～3.4 m，平均為3 m，泥質(zhì)膠結(jié)。基本頂為細(xì)砂巖、粉砂巖，厚度為8.3～22.3 m，泥質(zhì)膠結(jié)，波狀層理，夾有泥巖及細(xì)粒砂巖薄層硬度中等。203工作面長(zhǎng)度300 m，可采長(zhǎng)度3650 m，采用長(zhǎng)壁式一次采全高全部垮落法和綜合機(jī)械化采煤工藝。203輔助運(yùn)輸巷和膠帶運(yùn)輸巷沿煤層底板布置，巷道寬5.4 m，高3.6 m。

2 回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實(shí)測(cè)分析

203輔助運(yùn)輸巷和膠帶運(yùn)輸巷并行掘進(jìn)，兩巷之間留設(shè)20 m的煤柱。由于203輔助運(yùn)輸巷要在201工作面回采過(guò)程中起回風(fēng)作用，故203輔助運(yùn)輸巷和煤柱要受二次采動(dòng)影響。若研究203輔助運(yùn)輸巷受二次采動(dòng)影響后的礦壓顯現(xiàn)特征，所需時(shí)間太長(zhǎng)，故選擇在受初次采動(dòng)影響的203輔助運(yùn)輸巷和受第2次采動(dòng)影響的203輔助運(yùn)輸巷中布置礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站，來(lái)研究回采對(duì)巷道和煤柱穩(wěn)定性的影響。

203輔助運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷表面位移觀測(cè)曲線分別如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，受第1次采動(dòng)影響的203輔助運(yùn)輸巷頂?shù)装遄畲笠平繛?5 mm，兩幫最大移近量為20 mm；受第2次采動(dòng)影響的203回風(fēng)巷頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm，兩幫最大移近量為32 mm，井下觀測(cè)也基本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)巷道較大變形；將上述兩次變形量相加，近似理解為203輔助運(yùn)輸巷受二次采動(dòng)影響后的巷道表面最大位移變形量，頂?shù)装遄畲笠平繛?3 mm，兩幫最大移近量為52 mm。

圖1 203輔助運(yùn)輸巷道表面位移變化

圖2 203回風(fēng)巷巷道表面位移變化

實(shí)測(cè)分析表明，在護(hù)巷煤柱為20 m寬度的前提下，二次采動(dòng)對(duì)巷道和煤柱影響很小，巷道和煤柱仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。故現(xiàn)在采用的20 m護(hù)巷煤柱明顯略大，應(yīng)研究提出合理煤柱寬度，以提高盤(pán)區(qū)采出率。

3 護(hù)巷煤柱寬度的理論計(jì)算

護(hù)巷煤柱兩側(cè)的回采空間和回采巷道形成以后，在煤柱邊緣會(huì)發(fā)生塑性變形和破壞，形成各自的塑性區(qū)x0和x1，如圖3所示。因此在煤柱設(shè)計(jì)時(shí)，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度之和不能超過(guò)煤柱的寬度，否則，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)將連通，煤柱失去彈性核區(qū)，支撐能力迅速降低，煤柱極有可能完全失穩(wěn)。

圖3 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

受采動(dòng)影響后，護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的寬度為：

B=x0+(1～2)M+x1

(1)

式中:B——護(hù)巷煤柱寬度，m；

x0——煤柱在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m；

M——煤層開(kāi)采厚度，m；

x1——煤柱在巷道一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m。

運(yùn)用巖體的極限平衡理論，在采空區(qū)側(cè)形成的塑性區(qū)寬度x0為：

(2)

式中：A——側(cè)壓系數(shù)，取0.389；

φ0——煤層界面的內(nèi)摩擦角，取37°；

C0——煤層界面的黏結(jié)力，取1.2 MPa；

K——應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；

γ——巖層平均容重，取25kN/m3；

H——巷道埋深，取200 m；

PZ——支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，取0。

由式(2)計(jì)算得到x0=2.2 m。一般來(lái)說(shuō)，x1

4 煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬對(duì)比優(yōu)化

數(shù)值模擬法具有較強(qiáng)的運(yùn)算功能，同時(shí)可以模擬不同地質(zhì)條件、不同煤柱寬度甚至是不同支護(hù)強(qiáng)度下煤柱的受力、巷道變形等狀況，是目前研究煤柱留設(shè)寬度普遍采用的方法。在理論分析的基礎(chǔ)上，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，分別模擬護(hù)巷煤柱寬度為8 m、10 m、12 m、16 m時(shí)巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布規(guī)律，對(duì)比確定合理的護(hù)巷煤柱尺寸。

4.1 建立數(shù)值模型

模型尺寸為70 m×50.4 m，采用彈塑性材料模型，運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞程度，上部邊界施加應(yīng)力載荷按采深200 m計(jì)算，底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

基本支護(hù)參數(shù)：頂板錨桿規(guī)格為?18 mm×2100 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1000 mm，頂板錨索規(guī)格為?17.8 mm×6000 mm，間排距為2000 mm×3000 mm，矩形布置，幫部錨桿規(guī)格為?16 mm×1600 mm圓鋼錨桿，末端400 mm拍扁擰成麻花狀，間排距為750 mm×1500 mm，五花形布置。

4.2 模擬結(jié)果分析

不同煤柱寬度時(shí)煤柱塑性區(qū)分布如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度煤柱兩側(cè)塑性區(qū)分布

由圖4可知，隨著煤柱寬度增加，煤柱中彈性核區(qū)的范圍逐漸增大。煤柱寬度為8 m時(shí)，塑性區(qū)在巷道一側(cè)為2 m，在回采空間一側(cè)為4 m，中部的彈性核寬度為2 m，僅為巷道高度的一半，支承能力難以保證；煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱中彈性區(qū)寬度為4 m，略大于巷道高度；煤柱寬度為12 m時(shí)，彈性核區(qū)寬度為6 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，當(dāng)煤柱寬度在核區(qū)達(dá)到50%時(shí)，煤柱可保持穩(wěn)定；煤柱寬度為16 m時(shí)，煤柱中彈性區(qū)明顯增大，此時(shí)煤柱尺寸過(guò)大，不利于提高盤(pán)區(qū)采出率，會(huì)造成資源浪費(fèi)。

煤柱寬度與203輔助運(yùn)輸巷圍巖變形關(guān)系模擬結(jié)果見(jiàn)表2。隨著203工作面的不斷推進(jìn)，201輔助運(yùn)輸巷頂?shù)装寮皟蓭途l(fā)生了變形，隨著煤柱寬度的增加，201回風(fēng)巷圍巖變形量逐漸減小。10 m寬的煤柱相對(duì)8 m寬的煤柱，巷道圍巖變形降幅在13%左右；12 m寬的煤柱相對(duì)10 m寬的煤柱，巷道圍巖變形降幅在24%以上，降幅較大；16 m寬的煤柱相對(duì)12 m寬的煤柱，巷道圍巖變形降幅在13%以下，說(shuō)明加大煤柱寬度對(duì)維護(hù)巷道的穩(wěn)定作用不太明顯。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，將隆德煤礦護(hù)巷煤柱寬度確定為12 m。

表2 煤柱寬度與203輔助運(yùn)輸巷圍巖變形關(guān)系

5 工程實(shí)踐

201輔助運(yùn)輸巷和膠帶運(yùn)輸巷間留設(shè)12 m護(hù)巷煤柱，為研究回采過(guò)程對(duì)巷道和煤柱穩(wěn)定性的影響，在201輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)和201工作面回采期間，對(duì)201輔助運(yùn)輸巷進(jìn)行巷道表面位移和錨桿受力監(jiān)測(cè)，測(cè)站布置如圖5所示。

圖5 工作面巷道及測(cè)站布置示意圖

5.1 掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)特征

201輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間巷道表面位移變化如圖6所示。由圖6可知，在距掘進(jìn)工作面20 m范圍內(nèi)，巷道表面位移增長(zhǎng)較快，工作面超出測(cè)站80 m后趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平繛?8 mm，兩幫最大移近量為45 mm，掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)不明顯，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 201輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間巷道表面位移變化

201輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間錨桿受力變化如圖7所示。由圖7可以看出，掘進(jìn)期間錨桿受力變化幅度較小，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，所留設(shè)的煤柱可以發(fā)揮較好的支撐作用。

圖7 201輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間錨桿受力變化

5.2 回采期間礦壓顯現(xiàn)特征

201工作面回采期間，4#測(cè)站巷道表面位移變化最大，其巷道表面位移觀測(cè)曲線如圖8所示。由圖8可知，距工作面20～80 m的范圍內(nèi)，4#測(cè)站幾乎沒(méi)有受到采動(dòng)影響，巷道表面位移變化幅度較?。痪喙ぷ髅?0～20 m范圍內(nèi)，巷道表面位移變化迅速；距工作面10 m以內(nèi)時(shí)，巷道表面位移急劇增加，頂?shù)装遄畲笠平繛?64 mm，兩幫最大移近量為157 mm，但巷道總體位移量還是相對(duì)較小，在安全許可范圍內(nèi)，煤柱及巷道仍可保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 201輔助運(yùn)輸巷回采期間4#測(cè)站巷道表面位移變化曲線

圖9 201工作面回采期間錨桿受力變化曲線

201工作面回采期間錨桿受力變化曲線如圖9所示。由圖9可知，距工作面50 m時(shí)，錨桿受力開(kāi)始受到采動(dòng)影響，但變化較小，漲幅在10 kN以內(nèi)；距工作面30 m以內(nèi)時(shí)，錨桿受力開(kāi)始顯著增加，最大值為68 kN，遠(yuǎn)低于錨桿破斷力。

護(hù)巷煤柱寬度由203工作面的20 m降為201工作面的12 m后，不僅單個(gè)工作面比原來(lái)多產(chǎn)出煤炭14.6萬(wàn)t/a，直接經(jīng)濟(jì)效益2920萬(wàn)元，而且礦壓顯現(xiàn)程度處于可控制范圍之內(nèi)，巷道和煤柱仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足安全開(kāi)采要求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)在分析隆德礦淺埋深回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征的基礎(chǔ)上，得出回采巷道圍巖變形量小，礦壓顯現(xiàn)不明顯，在保持巷道原支護(hù)參數(shù)的條件下，可以進(jìn)一步優(yōu)化護(hù)巷煤柱寬度。

(2)根據(jù)理論計(jì)算分析，得出隆德礦2#煤層合理護(hù)巷煤柱寬度為8.3～12.2 m。

(3)利用數(shù)值模擬軟件，計(jì)算護(hù)巷煤柱寬度為8 m、10 m、12 m、16 m時(shí)的巷道圍巖變形和塑性區(qū)分布規(guī)律。隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖變形量越來(lái)越小，煤柱越來(lái)越穩(wěn)定，但當(dāng)煤柱寬度超過(guò)12 m時(shí)，加大煤柱寬度對(duì)維護(hù)巷道的穩(wěn)定作用不太明顯，最終確定護(hù)巷煤柱寬度為12 m。

(4)工程實(shí)踐表明，當(dāng)護(hù)巷煤柱的寬度改為12 m后，巷道總體位移量相對(duì)較小，在安全許可范圍之內(nèi)，單個(gè)工作面比原來(lái)多產(chǎn)出煤炭14.6萬(wàn)t/a，直接經(jīng)濟(jì)效益2920萬(wàn)元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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(責(zé)任編輯 陶 賽)

Research on reasonable width of coal pillar in shallow-buried deep coal seam

Li Laiyuan

(Shaanxi Shenmu County Longde Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719319, China)

In order to reduce coal pillar width and increase recovery rate of the panel area, based on the analysis of characteristics of mining-induced rock strata pressure in mining roadway of 203 work face, aiming at the actual situation that strata pressure behavior of shallow buried roadway was not obvious, it is concluded that by theoretical calculation,the reasonable pillar width of No. 2 coal seam in Longde Mine was 8.3～12.2 m. FLAC3D numerical simulation was used to analysis laws of the deformation and plastic zone distribution of roadway surrounding rock when pillar width was 8 m, 10 m, 12 m, 16 m, respectively. The results showed that with the increase of coal pillarwidth, the deformation of surrounding rock was smaller, coal pillar was more stable, however, when coal pillar width was more than 12 m, increasing coal pillar width could not favorably maintain the stability of roadway. It wasfinnaly determined that coal pillar width was 12 m.Field application showed that 8-meter coal pillar width still could met the requirement of safe mining production.

shallow buried coal seam, thick coal seam, protective pillar, elastic core area, coal pillar width

李來(lái)源 .淺埋深厚煤層護(hù)巷煤柱合理尺寸研究 [J] . 中國(guó)煤炭，2017,43(4)：79-83.LiLaiyuan.Researchonreasonablewidthofcoalpillarinshallow-burieddeepcoalseam.ChinaCoal，2017,43(4)：79-83.

TD

A

李來(lái)源(1964-)，男，山東濟(jì)寧人，高級(jí)工程師，博士研究生，從事礦山壓力與巖層控制等方面的研究。