极近距离不稳定煤层联合开采护巷煤柱宽度的探讨

宋成标

(新光集团刘东煤矿,安徽省淮北市,235000)

极近距离不稳定煤层联合开采护巷煤柱宽度的探讨

宋成标

(新光集团刘东煤矿,安徽省淮北市,235000)

运用理论计算和FLAC数值模拟的方法,对极近距离不稳定煤层联合开采护巷煤柱宽度进行了分析,根据采煤工作面侧向支承压力分布规律和经验公式,得出护巷煤柱的宽度必须大于14 m才能避免侧向支承压力峰值的影响的结论。由数值模拟得出,掘进对煤柱的应力分布影响相对较小,而采动对煤柱的应力分布影响较大。不同埋深的煤柱应力分布大小不同,埋藏越深煤柱应力越大;采掘对不同宽度煤柱的应力分布影响不同,煤柱越小,应力集中越大,煤柱越不稳定;而煤柱越大,应力叠加越不明显,煤柱越稳定。综合考虑各种因素,刘东煤矿西三采区护巷煤柱的宽度确定为15 m。

极近距离不稳定煤层 联合开采 护巷煤柱 理论分析 数值模拟

在近距离煤层联合开采的情况下,无论是采场还是巷道,其矿压显现时空关系非常复杂。巷道受动压的影响比较大,尤其是布置在煤层中的回采巷道,变形量大,维护困难,一定程度上影响了矿井的安全生产和经济效益。不管回采巷道采用外错式或者内错式布置,最主要的参数是确定护巷煤柱宽度,它是极近距离不稳定煤层联合开采巷道布置成功与否的关键。

本文通过数值模拟方法,确定了极近距离不稳定煤层护巷煤柱的宽度。该方法主要考虑下方煤层巷道变形与相关影响因素的关系,进而确定极近距离不稳定煤层回采巷道的时空关系。

1 井田地质概况

刘东煤矿拟对西三采区的71煤层、72煤层进行开采,71煤层和72煤层间距为3 m。71煤层赋存不稳定,厚度为1.36～1.88 m,平均厚度1.4 m,结构简单,且中部有一变薄带仅为0.7 m左右;72煤层赋存稳定,全区可采,厚度为1.72～4.39 m,平均厚度为2.5 m左右。

2 护巷煤柱宽度的确定

护巷煤柱的宽度是影响煤柱稳定性和巷道维护的主要因素。煤柱的宽度不仅决定了巷道与回采空间的相对位置关系,而且影响到下方煤层巷道的稳定性。

2.1 合理确定煤柱宽度的原则

确定合理的护巷煤柱宽度应遵循以下原则。

(1)相对有利的应力环境。在时空上尽量避开采掘活动的影响,最好将巷道布置在煤层开采后形成的应力降低区内。

图1 底板岩层应力分布区域

(2)保证锚杆具有良好锚固性能。上方极近煤层开采,对底板岩层形成破坏,产生拉伸破裂区与剪切滑移区,如图1所示。如煤柱过窄,下方煤层巷道的顶板将处于破碎煤体内,不能有效锚固锚杆。因此,应选择性质较好的围岩,保证锚杆具有较高的锚固力,真正发挥锚杆的支护作用。

(3)控制巷道围岩变形。将围岩的变形量控制在能满足生产过程中对断面的使用要求之内。

(4)保证煤柱稳定和高回采率。煤柱护巷必须保证巷道使用期内的稳定性。当护巷煤柱满足要求时,煤柱的宽度应尽可能小,提高煤炭的采出率。

根据以上原则,结合71、72煤层及工作面的开采技术条件,通过数值模拟确定37202运输巷合理护巷煤柱宽度L1和37202回风巷护巷煤柱宽度L2。

2.2 煤柱宽度的数值模拟

2.2.1 模型的建立及参数的选取

采用FLAC数值计算软件进行模拟分析,根据地质资料和现场两层煤工作面的实际布置关系,取工作面倾斜剖面为现场模型,建立数值模型,整个模型尺寸(宽×高)200 m×172 m,模型上部边界施加压力使其等同于上覆岩层的重量,底边界垂直方向固定,左右边界水平方向固定。

模型上部边界垂直深度200 m、岩石容重25 kN/m3,上部应力5.0 MPa。根据现场地质资料及我国煤矿原始应力场分布的一般规律,取侧压系数1.2,采用平面应变模型。37202工作面距左、右侧边界均为40 m。整个模型由多种岩层构成。其岩层及节理的力学参数见表1。

表1 数值模型各岩层力学参数

2.2.2 数值模拟内容

以71煤层和72煤层工作面现场情况为基础,合理确定37102运输巷与37202运输巷之间煤柱水平宽度L1大小,以及37102回风巷与37202回风巷之间煤柱水平宽度L2大小,为此,在保持其它参数不变的情况下,改变L1和L2的大小(5 m、10 m、15 m、20 m和25 m等),模拟不同煤柱宽度在巷道掘进和采面回采期间的应力分布和对巷道围岩变形的影响,从而得出合理的护巷煤柱宽度。

2.2.3 护巷煤柱内应力分布

在数值计算的过程中取位于煤柱高度一半的中部层位研究护巷煤柱在上煤层巷道掘进期间及工作面回采期间的煤柱垂直应力分布情况与煤柱宽度的关系,在37102回风巷、运输巷掘进期间及37102工作面回采期间,37202回风巷、运输巷护巷煤柱内垂直应力分布见图2和图3。

由图2可以看出,在37102运输巷掘进期间及37102工作面回采期间,37202运输巷护巷煤柱内垂直应力分布具有以下特征。

(1)在巷道掘进期间,应力分布随煤柱宽度的增大变得相对缓和,最大应力峰值为9.9 MPa,分布在5 m煤柱上,呈单峰值分布,随煤柱宽度的增大,应力呈双峰值分布。

(2)在工作面回采期间,因受采动的影响,使煤柱内的垂直应力猛增,并且煤柱越小,应力增幅越快,煤柱越大,应力增幅相对越慢。5m的煤柱应力增幅为2.9 MPa;10 m的煤柱应力增幅为1.5 MPa;15 m、20 m、25 m煤柱应力增幅均为1 MPa。

(3)煤柱宽度对应力分布影响较大,煤柱越小,两巷引起的围岩应力相互叠加,形成“山字状”应力分布,煤柱受载越大;随着煤柱宽度的增加,相互干扰相对减弱,应力叠加减小,应力分布近似“马鞍状”分布,煤柱受载逐渐减弱。并且,掘进和工作面回采对煤柱应力分布的影响程度不同,采动影响大于掘进影响,最大峰值位于采空区下方4～5 m范围内。

由图3可以看出,在37102回风巷掘进期间及37102工作面回采期间,37202回风巷护巷煤柱内垂直应力分布具有以下特征。

(2)在工作面回采期间,因受采动影响,使煤柱内的垂直应力猛增,并且煤柱越小,应力增幅越快,煤柱越大,应力增幅相对越慢。5 m的煤柱应力增幅为2.8 MPa;10 m的煤柱应力增幅为2 MPa;15 m、20 m和25 m的煤柱应力增幅均为1 MPa。

(3)煤柱宽度对于应力分布影响较大,煤柱越小,两巷引起的围岩应力相互叠加,煤柱受载越大,随着煤柱宽度的增加,相互干扰相对减弱,应力叠加减小,煤柱受载逐渐减弱。并且,掘进和工作面回采对煤柱应力分布的影响程度不同,采动影响大于掘进影响,最大峰值位于采空区下方2～3 m范围内。

可见,煤柱越小,应力集中越大,煤柱越不稳定,而煤柱越大,应力叠加越不明显,煤柱越稳定;采掘对煤柱应力的分布影响程度不一样,掘进对煤柱的应力分布影响相对较小,而采动对煤柱的应力分布影响较大;不同埋深的煤柱应力分布大小不同,埋藏越深煤柱应力越大。煤柱应力最大峰值受煤层倾角的影响,其峰值位置随煤层倾角增加呈现沿倾斜方向下移的特征。

2.2.4 巷道表面位移与煤柱宽度的关系

(1)37202运输巷表面位移与煤柱宽度的关系。

图4 37102运输巷掘进期和工作面回采期间

37102运输巷掘进期和工作面回采期间37202运输巷表面位移与煤柱宽度的关系见图4。由图4可以看出,37202运输巷表面位移量随着护巷煤柱变化呈现以下特点:

采掘对巷道的围岩变形都产生重要的影响,但影响程度不同,采动大于掘进影响,采动影响时,顶板下沉量大于煤柱侧煤帮变形量,而掘进期间,煤柱侧煤帮变形量大于顶板下沉量,不论是掘进还是采煤影响,实体煤侧煤帮移近量最小;

巷道围岩变形量随煤柱的宽度的增大而减小,但变化速率不同,5～15 m范围,变形速率较大,说明巷道处在此范围内,巷道变形量较大而不稳定,随着煤柱宽度的增大,大于15 m之后(包括15 m),巷道围岩变化速率减缓,变形量渐渐稳定,处在此范围内的巷道受采掘影响相对较小,巷道易于维护。

2.5 健康指导 向患者阐述与疾病相关的知识，提高对曼氏裂头蚴感染危害性的认识，说明食物除应具备的营养要素外，还应保证其卫生安全，防止有害因素引起的食源性疾病。首先，养成良好的个人卫生习惯，做到饭前便后要洗手，注意手的卫生是饮食安全的第一步。其次，养成良好的饮食卫生习惯，不吃不洁食物，不饮用生水等，防止病从口入。生、熟食要分开处理，烹调食物时，要充分煮熟，保持餐具清洁卫生。

(2)37202回风巷表面位移与煤柱宽度的关系。

图5 37102回风巷掘进期和工作面回采期间

37102回风巷掘进期和工作面回采期间37202回风巷表面位移与煤柱宽度的关系见图5。由图5可以看出,37202回风巷表面位移量随着护巷煤柱变化呈现以下特点:

采动时,顶板下沉量大于煤柱侧煤帮变形量,而掘进期间,煤柱侧煤帮变形量大于顶板下沉量,不论是掘进还是采煤影响,实体煤侧煤帮移近量最小;

巷道围岩变形量随煤柱的宽度的增大而减小,但变化速率不同,5～10 m范围,变形速率较大,说明巷道处在此范围内,巷道变形量较大而不稳定,随着煤柱宽度的增大,大于10 m之后(包括10 m)巷道围岩变化速率减缓,变形量渐渐稳定,处在此范围内的巷道受采掘影响相对较小,巷道易于维护。

可见,不同宽度的煤柱对巷道的围岩变形产生不同的影响,煤柱越小,巷道围岩变形量越大,巷道越不稳定,反之,巷道围岩变形量越小,巷道越稳定;采动对巷道围岩的变形影响较大。

2.2.5 数值模拟确定的煤柱宽度

(1)采掘对煤柱应力的分布影响程度不一样,掘进对煤柱的应力分布影响相对较小,而采动对煤柱的应力分布影响较大,并且,不同埋深的煤柱应力分布大小不同,埋藏越深煤柱应力越大。采掘对不同宽度煤柱的应力分布影响不同,煤柱越小,应力集中越大,煤柱越不稳定,而煤柱越大,应力叠加越不明显,煤柱越稳定。

(2)采掘对巷道的围岩变形同样都产生重要的影响,但影响程度不同,采动影响大于掘进影响,采动时,顶板下沉量大于煤柱侧煤帮变形量,而掘进期间,煤柱侧煤帮变形量大于顶板下沉量,不论是掘进还是采煤影响,实体煤侧煤帮移近量最小。并且,巷道围岩变形量随煤柱宽度的增大而减小。

(3)煤柱宽度的确定既要考虑采动的影响,又要考虑煤炭资源的回收以及现场实际。综上所述,37202运输巷煤柱宽度应大于或等于15 m,而37202回风巷的煤柱宽度应大于或等于10 m。综合考虑各种因素,刘东煤矿西三采区护巷煤柱的宽度确定为15 m。

3 联合开采的时空关系分析确定

根据巷道布置及煤柱宽度的分析,确定71、72煤层实行下行式联合开采,回采巷道采用外错式布置方式,两工作面之间的相对位置关系如图6所示。

图6 两工作面相对位置图

各巷道的施工顺序为:首先沿7煤层顶板施工采面的回风巷与运输巷,待施工到71、72煤层分叉点处,向下沿72煤层掘进37202回风巷与运输巷,待系统形成后,分别在37202回风巷与运输巷A、B点(71煤层的变薄处)开口作斜巷,进入71煤层,然后沿71煤层顶板施工37102回风巷与运输巷及切眼,37102回风巷平行于37202回风巷布置,两巷间的煤柱水平宽度L2,37102运输巷平行于37202运输巷布置,两巷间的煤柱水平宽度L1,巷道采用炮掘施工。

37102工作面走向长度为165 m,根据刘东煤矿现有的生产技术条件,设计工作面日推进距离2.4 m,则37102工作面预计开采时间约为3个月。

37102工作面的煤层厚度平均为1.4 m,根据刘东煤矿以往类似条件下,71煤层开采后,上覆岩层活动的稳定时间在3个月左右。因此确定37102工作面推进到71煤层变薄带,即37102工作面完全回采完毕后,等待1个月后以保证上覆岩层活动完全稳定,然后回采72煤层,可以确保71煤层的上覆岩层活动不会对72煤层回采造成影响。

[1] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[2] 陆士良,孙永联,姜耀东.巷道与上部煤柱边缘间水平距离X的选择[J].中国矿业大学学报,1993(2)

[3] 陆士良,姜耀东,孙永联.巷道与上部煤层间垂距Z的选择[J].中国矿业大学学报,1993(1)

[4] 郭文兵,刘明举,李化敏,史新林.多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模型研究[J].煤炭学报,2001(1)

Study on width of the coal pillar for the combined mined unstable very contiguous seams

Song Chengbiao
(Liudong Coal Mine,Xinguang Group,Huaibei,Anhui 235000,China)

This paper analyzes the width of the coal pillar for the combined mined unstable very contiguous seams by theoretical analysis and FLAC numerical simulation.On basis of the side abutment pressure pattern and empirical formula,it finds that the coal pillar must be wider than 14m to avoid influence of the peak value of the side abutment pressure.It concludes from numerical simulation that tunneling effect on the stress distribution of the pillar is relatively minor while influence of mining is major;the deeper the pillar is buried,the bigger of the stress;and the effect of mining on pillar stress varies along with the width of the pillar:the wider the pillar is,the more stable of the pillar.Considering various factors,coal pillar width of the Western 3rd mining area of Liudong Mine is determined into 15m.

unstable very contiguous seams,combined mining,coal pillar,theoretical analysis,numerical simulation

TD822.3

A

宋成标(1967-),男,江苏盐城人,现任新光集团刘东煤矿副矿长,主要从事采掘生产技术管理工作。

(责任编辑 张毅玲)