长壁综采工作面巷道煤柱合理尺寸的确定

宋 军

（晋城煤业集团沁秀煤业有限公司,山西晋城 048007）

长壁综采工作面巷道煤柱合理尺寸的确定

宋 军

（晋城煤业集团沁秀煤业有限公司,山西晋城 048007）

针对岳城煤矿 3号煤层具体地质力学特征,运用理论分析、数值模拟等方法对综采工作面巷道煤柱合理尺寸的确定问题进行了探讨,提出了煤柱尺寸的确定原则和方法,并给出了不同强度条件下煤柱合理宽度。

巷道煤柱;合理尺寸;有效面积;有效强度

Rational Coal Pillar Size of Long-wall Full-mechanized Mining Face

煤柱尺寸的确定是巷道围岩稳定性控制以及岩层移动控制的关键之一,也是岩体力学领域的热点难题之一。目前在此领域已有许多研究成果和相关理论,如有效面积理论、压力拱理论、强度理论等,这些理论和成果对合理确定煤柱尺寸具有一定的指导意义,但不能完全照搬,解决实际工程问题时还须根据具体地质力学条件提出具有针对性的计算方法。

根据岳城煤矿地质力学条件,煤柱尺寸的确定方法应该将有效面积理论和有效强度理论相结合。

1 煤柱载荷的确定原理

巷道煤柱在服务期间要受到长壁综采工作面开采的影响,综合考虑长壁综采工作面开采造成的围岩结构变化特征,巷道间煤柱所承担的载荷大于相对应区域 （煤柱本身和巷道所对应的面积）上覆岩体的重量,而且,载荷大小及分布还随着煤柱与工作面的相对位置的不同、开采阶段的不同等因素而变化。

本文借助数值模拟方法对巷道煤柱受力状况进行研究。

2 煤柱有效承载面积和有效强度的确定原理

煤柱有效强度应结合其实际应力状态,参考库仑莫尔强度理论进行分析计算。

根据煤柱支撑压力分布特征与强度之间相对大小关系计算出支撑压力小于煤柱强度的区域面积,即为煤柱的有效承载面积。

运用三维极限平衡理论,根据煤柱应力分布状态,采用面积积分的方法确定煤柱有效支撑强度。

3 煤层及顶底板地质力学条件

岳城煤矿 3号煤层位于山西组下部,埋藏深度约 470m,上距 K8砂岩 27.76～46.75m,下距 K7砂岩0～6.5m（平均2.1m）。煤层结构较简单,赋存稳定,厚度 5.04～7.16m,平均 6.11m,一般含炭质泥岩和泥岩夹石 1～2层,夹石厚约 0.1～0.3m,纯煤厚度 4.81～6.98m。

顶板主要由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩组成,局部为细、中砂岩。底板主要由泥岩、粉砂岩组成,局部为细砂岩 （如表 1、表 2所示）。

表1 3号煤层及顶底板岩层分布

4 数值模拟分析

为了掌握巷道围岩支承压力分布规律,了解煤柱力学特征,确定煤柱支承性能,分别对 30m煤柱和 35m煤柱在单侧开采状况下的应力分布状况进行了模拟计算分析。并按照上述方法对具有不同单轴抗压强度的煤柱稳定性系数进行计算。

表2 煤层及顶底板岩层主要力学参数

4.1 30m煤柱计算分析

30m煤柱数值模拟计算如图 1、图 2所示。

图1 围岩应力分布等值线

图2 煤柱支承压力分布曲线

在围岩应力分布等值线图 1中,X方向为煤柱宽度方向,Y方向为岩层深度方向,Z方向为巷道走向方向;图中不同颜色代表不同大小的应力值,单位为 Pa。图 2显示了与工作面不同距离时,煤柱内部应力的变化情况,横轴为煤柱与工作面的距离大小,单位为 m;纵轴为煤柱内部应力值大小,单位为Pa。

数值模拟分析结果表明,煤柱单轴抗压强度达到 20MPa时,30m宽的煤柱可以达到综采巷道稳定性控制的要求。

单侧采空时煤柱理论支撑压力介于 24～59MPa,平均约 31MPa,低于 25MPa的区域宽度约10m,高于 45MPa的区域宽度约 3m。煤柱总载荷约为:

据此计算,一侧采空时,具有不同单轴抗压强度的煤柱整体承载能力及其稳定性状况分析如下:

（1）煤柱单轴抗压强度按 15MPa计算,则其承载能力约为:

承载能力 P<煤柱载荷 Q,所以,单侧采空时,若单轴抗压强度在 15MPa以下时,30m煤柱将处于不稳定状态。

（2）煤柱单轴抗压强度按 17.5MPa计算,则其承载能力约为:

承载能力 P=煤柱载荷Q,安全系数约为 1.0。

（3）煤柱单轴抗压强度按 20MPa计算,则其承载能力约为:

承载能力 P>煤柱载荷 Q,安全系数约为1.07。

（4）煤柱单轴抗压强度按 22MPa计算,则其承载能力约为:

承载能力 P>煤柱载荷 Q,安全系数约为1.13。

（5）煤柱单轴抗压强度按 24MPa计算,则其承载能力约为:

承载能力 P>煤柱载荷 Q,安全系数约为1.20。

（6）煤柱单轴抗压强度按 26MPa计算,则其承载能力约为:

承载能力 P>煤柱载荷 Q,安全系数约为1.27。

表3列出了单侧开采时,30m煤柱不同单轴抗压强度与安全系数间的对应关系。

表3 30m煤柱单轴抗压强度与安全系数对照

4.2 35m煤柱计算分析

35m煤柱数值模拟计算分析过程与 30m煤柱分析过程相同,结果见表 4。

表4 35m煤柱单轴抗压强度与安全系数对照

表3、表 4所示结果表明,煤柱单轴抗压强度介于 15～20MPa时,煤柱宽度应确定为 35m。

5 结论

通过综合分析,岳城煤矿综采工作面巷道煤柱的合理宽度确定为:煤柱单轴抗压强度为 15～20MPa的区域,煤柱宽度确定为 35m,煤柱单轴抗压强度达到 20MPa以上的区域,煤柱宽度确定为30m。

[1]杨双锁 .回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理 [M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[2]杨双锁,钱鸣高,康立勋,等 .巷道围岩控制中的波动性平衡理论 [J].太原理工大学学报,2001,32（4）.339-343.

[3]侯朝炯,郭励生,勾攀峰,等 .煤巷锚杆支护 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1999.

[4]陈炎光,陆士良,侯朝炯,等 .中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[5]杨双锁,康立勋 .锚杆支护研究的总结与展望 [J].太原理工大学学报,2002,33（4）:376～381.

TD 355.41

B

1006-6225（2010）02-0050-02

2009-06-18

宋 军 （1969-）,男,山西平顺人,工程师,现任山西晋煤集团沁秀煤业有限公司总工程师。

[责任编辑:林 健]