保德煤矿8#煤层护巷煤柱合理宽度的确定

王 宇

(中国神华榆林神华能源股份有限责任公司 青龙寺煤矿,陕西 神木 719300)

保德煤矿8#煤层护巷煤柱合理宽度的确定

王 宇

(中国神华榆林神华能源股份有限责任公司 青龙寺煤矿,陕西 神木 719300)

针对保德煤矿8#煤层水平应力大,采用宽度为35 m的护巷煤柱仍难以保障巷道的稳定性,同时使煤炭的采出率和经济效益降低的问题。在8#煤层顶板结构及地质条件基础上,采用理论研究、数值模拟、现场测试相结合的方法,得出8#煤层护巷煤柱采用留小煤柱的方法,即采用宽度为12 m的护巷煤柱。通过松动圈测试试验结果分析表明:留设12 m护巷煤柱宽度实验效果较好,为保德煤矿护巷煤柱合理宽度的确定提供了科学依据,保证了8#煤层的安全高效开采。

保德煤矿;护巷煤柱;煤柱宽度;小煤柱

综放开采采准巷道护巷煤柱合理宽度的确定,直接影响着回次工作面和掘进工作面的正常生产和安全管理[1]。目前,我国留设煤柱保护采准巷道仍是许多煤矿采取的主要护巷方法(如潞安矿区),国外多数国家也是如此。由于回采巷道围岩的大变形、难支护特点,护巷煤柱的宽度就至关重要。研究表明[2-10],煤柱宽度变化所引起的煤柱内和与之相邻工作面内力学特征也应发生变化,将直接影响巷道围岩变形破坏规律及其稳定性。文章运用理论研究、数值模拟和现场测试相结合的方法,综合分析了开采深度、煤层采动影响、煤体的力学参数、三轴应力、岩体强度、巷道周边的塑性破坏以及煤柱随时间的蠕变等因素对煤柱宽度的影响。确定了采用留设小煤柱的方法,使煤柱的留设既有利于巷道维护,又尽量减少煤炭损失,对提高综放开采的采区采出率非常重要[11-15]。

1 试验巷道地质条件分析

试验巷道位于保德矿8#煤层88109回风巷与88110胶运巷之间,88109与88110回采工作面(以下简称109和110工作面)均尚未回采,109工作面回采时110胶运巷作为109工作面的辅运巷。三条巷道断面均设计为矩形,跨度为5.0 m,高度为3.5 m。试验巷道地点埋深114 m～205 m,试验巷道工程布置,见图1。

图1 试验巷道工程布置图Fig.1 Layout of experimental roadway

8#煤层结构较为复杂,夹矸4层-5层,单层夹矸最大厚度0.45 m,煤厚4.14 m～5.36 m,煤层走向近南北,倾角为2°～5°。通过地应力测量结果表明,保德矿的地应力场属于水平构造应力场,地应力是以水平压应力为主导,最大主应力的方向为119.35°,最大主应力值为10.82 MPa,为垂直应力场的1.88倍,属于较大水平应力。

2 护巷煤柱宽度理论计算

煤柱的宽度是影响煤柱的稳定性和巷道维护的主要因素[16-20]。煤柱的宽度决定了巷道与回采空间的水平距离,影响到回采引起的支承压力对巷道的影响程度及煤柱的载荷。煤柱的极限承载能力,不仅取决于煤柱的边界条件和力学性质,还取决于煤柱的几何尺寸和形状。

煤柱的合理宽度能够保证护巷煤柱的稳定性,在109工作面,护巷煤柱一侧为回采空间,一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区,塑性区的宽度分别为x0、x1。因此,护巷煤柱保持稳定的基本条件是:煤柱两侧产生塑性变形后,在煤柱中央存在一定宽度的弹性核,弹性核的宽度应不小于煤柱高度的2倍。所以,合理的煤柱宽度B应满足图2计算的煤柱宽度。

图2 煤柱宽度计算Fig.2 Width calculation of coal pillars

图2中m为煤柱的高度,煤柱宽度的计算公式为:

B=x0+2m+x1.

(1)

根据岩体极限平衡理论,塑性区的宽度,即支承压力峰值与煤体(煤柱)边缘之间的距离x0的公式为:

(2)

式中:K为应力集中系数,两侧采动时取4.0;P1为支架对煤帮的阻力,取0;m为煤层开采厚度,m;C为煤体的粘聚力,通常取煤体试样粘聚力的0.45～0.75倍;φ为煤体的内摩擦角,取35.6°;f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数,f=tgφ/4;ξ为三轴应力系数,ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

对于保德矿88109工作面,计算得煤柱宽度B为15.84 m。

3 护巷煤柱宽度的数值计算分析

3.1数值计算模型的建立

数值模拟巷道研究选择在88109回风巷与88110胶运巷之间,数值模型的高度为40 m,巷道走向长度为50 m,煤柱两侧各留100 m,数值模拟模型见图3、图4,模型参数，如表1所示。针对理论计算煤柱宽度为15.84 m,所以选取煤柱宽度分别为20 m、12 m和8 m的三种数值模拟方案,通过比较分析确定煤柱的合理宽度,见图5。

图4 数值模拟剖面模型Fig.4 Numerical simulation profile model

表1 数值模拟计算参数(Table 1 Parameters of numerical simulation)

图5 数值模拟方案Fig.5 Numerical simulation scheme

3.2护巷煤柱宽度的数值计算

工作面开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态,引起回采空间周围岩层应力重新分布,对巷道的布置有着重要的影响,即对护巷煤柱宽度有着决定性的作用。数值模拟煤柱宽度分别为20 m、12 m、8 m时,巷道垂直应力变化见图6-图11。

6-a 煤壁位置

6-b前方5 m图6 20 m煤柱时巷道围岩塑性破坏Fig.6 Plastic failure of surrounding rock with 20 meters wide coal pillars

图7 20 m煤柱时煤壁位置巷道垂直应力变化曲线Fig.7 Vertical stress variation at coal walls with 20 meters wide coal pillars

8-a 煤壁位置

8-b 前方5 m图8 12 m煤柱时巷道围岩塑性破坏Fig.8 Plastic failure of surrounding rock with 12 meters wide coal pillars

图9 12 m煤柱时煤壁位置巷道垂直应力变化曲线Fig.9 Vertical stress variation at coal walls with 12 meters wide coal pillars

10-a 煤壁位置

10-b 前方5 m图10 8 m煤柱时巷道围岩塑性破坏Fig.10 Plastic failure of surrounding rock with 8 meters wide coal pillars

图11 8 m煤柱时煤壁位置巷道垂直应力变化曲线Fig.11 Vertical stress variation at coal walls with 8 meters wide coal pillars

由上图分析可知:

1)煤柱宽度为20 m时,工作面位置和前方5 m位置的垂直应力变化分析表明,在煤壁位置,开采侧距煤壁4.0 m时支承应力最大,为8.65 MPa,巷道侧距煤壁4.0 m时支承应力最大,为8.65 MPa;在前方5 m位置,开采侧距煤壁4.5 m时支承应力最大,为9.46 MPa,巷道侧距煤壁3.5 m时支承应力最大,为9.0 MPa。说明开采后,开采侧的侧向弹塑性区范围为4.5 m,巷道侧的侧向弹塑性区范围为4.0 m。

2)煤柱宽度为12 m时,工作面位置和前方5 m位置的垂直应力变化分析表明,在煤壁位置,开采侧距煤壁4.0 m时支承应力最大,为9.53 MPa,巷道侧距煤壁4.0 m时支承应力最大,为9.53 MPa;在前方5 m位置,开采侧距煤壁3.5 m时支承应力最大,为10.2 MPa,巷道侧距煤壁3.5 m时支承应力最大,为10.0 MPa。说明开采后,开采侧的侧向弹塑性区范围为4.0 m,巷道侧的侧向弹塑性区范围为4.0 m。

3)煤柱宽度为8 m时,工作面位置和前方5 m位置的垂直应力变化分析表明,在煤壁位置,开采侧距煤壁4.0 m时支承应力最大,为9.98 MPa,巷道侧距煤壁4.0 m时支承应力最大,为9.98 MPa;在前方5 m位置,开采侧距煤壁3.5 m时支承应力最大,为11.98 MPa,巷道侧距煤壁3.5 m时支承应力最大,为11.98 MPa。说明开采后,开采侧的侧向弹塑性区范围为4.0 m,巷道侧的侧向弹塑性区范围为4.0 m。在煤柱中部应力叠加,8 m煤柱条件下,煤柱中间没有弹性核区域。

综上所述,不同煤柱条件下的侧向弹塑性区范围与合理煤柱尺寸分析表明,8 m煤柱条件下煤柱中部应力叠加,使得煤柱中间没有弹性核区域,不能保证煤柱的稳定性。通过比较20 m、12 m煤柱宽度的弹塑性区范围可得12 m宽度的煤柱在垂直应力作用下弹塑性区较小,更有利于煤柱的稳定性,所以选择煤柱宽度为12 m。这与理论计算分析结果较吻合。

4 现场测试及分析

为了分析12m煤柱的稳定性和支护效果,不同煤柱在不同阶段的承载能力和试验巷道支护效果,分别在掘进稳定阶段、一次回采超前影响阶段和一次回采稳定阶段对实验巷道区段煤柱尺寸为8 m和12 m的情况下测试围岩松动圈的范围,以考察煤柱的稳定性和支护效果。

在88109回风顺槽、88110胶运顺槽、8 m煤柱和12 m煤柱试验巷道内分别进行了松动圈测试。图12为掘进影响阶段松动圈测试点布置。对试验巷道掘进阶段、一次回采影响阶段、一次采动稳定阶段的深基点观测松动圈测试范围,并对巷道变形状况进行观测分析。表2为不同巷道位置、不同开采阶段的松动圈测试结果。

通过对松动圈测试结果分析可得,在88109掘进阶段和一次采动超前阶段,由于受超前应力影响巷道内,随着距工作面距离越近,松动圈逐渐增大,回风顺槽煤柱帮的松动圈由距面50 m位置的0.5 m增大到距面30 m位置的1.0 m;割煤帮由1.0 m增大到1.8 m。在一次采动超前阶段,12 m煤柱的塑性区范围为1.1 m,8 m煤柱塑性区范围为1.15 m。由一次采动超前阶段过渡到一次采动影响稳定阶段,12 m煤柱的塑性区范围增大到1.7 m增加了54%,8 m煤柱的塑性区范围增大到2.5 m增加了117%。

图12 松动圈测试点布置Fig.12 Testing points layout of loose rock zone

表2 不同巷道位置、不同开采阶段的松动圈测试结果Table 2 Loose rock zone testing results at different positions and mining stages

通过比较分析8 m煤柱实验巷道和12 m煤柱实验巷道塑性区变化范围得出,12 m煤柱的支撑效果较好,所以根据松动圈试验测试结果,分析护巷煤柱宽度为12 m时,较适合保德煤矿的地质和开采条件。这与数值计算结果分析相吻合,进而得出保德煤矿宜采用留设12 m宽度小煤柱的方法来维护巷道,这样在能够保障煤柱稳定性的同时可以提高矿井的采出率,使矿井获得良好的经济效益。

5 结 论

1)通过理论计算分析,保德矿88109工作面煤柱宽度为15.84 m。针对理论计算分析结果,分别设计20 m、12 m、8 m三种数值模拟方案,数值模拟结果分析8 m煤柱条件下煤柱不能保证煤柱的稳定性,比较20 m、12 m煤柱宽度的弹塑性区范围可得12 m宽度的煤柱在垂直应力作用下弹塑性区较小,更有利于煤柱的稳定性,所以选择煤柱宽度为12 m。

2)针对试验巷道受采动影响的特点,制定了试验巷道掘进期间、一次回采影响阶段和一次回采稳定阶段的松动圈测试方案。通过测试分析结果表明,宽度为12 m的护巷煤柱较适合保德煤矿的地质和开采条件。这与数值模拟分析结果较一致,进而确定12 m宽度煤柱的合理性和可行性。在保证煤柱稳定性的同时提高了矿井的煤炭采出率,使矿井获得了良好的经济效益。

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DeterminationofReasonableWidthofProtectiveCoalPillarsinNo.8SeaminBaodeMine

WANGYu
(QinglongsiMine,ShenhuaEnergyCo.,Ltd.,Shenmu719300,China)

Due to large horizontal stress in No.8 coal seam of Baode Mine, it is difficult to keep the roadway stability with 35 meters wide protective pillars. In addition, its recovery rate and economic benefits are low. Based on the roof structure and geological condition, theoretical study, numerical simulation, and field test were combined to determine the protective pillars to be 12 meters wide small coal pillars. Loose rock zone measurements showed better experimental effects of the 12 meters wide retaining protective pillars. The determination method is scientific, which could ensure the safe and efficient mining in the No.8 coal seam.

Baode mine;protective coal pillars;width of coal pillar;small coal pillars

1672-5050(2017)03-0034-06

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.010

2017-03-22

王 宇(1981-),男,黑龙江拜泉人,工程硕士,工程师,从事煤矿生产技术及管理工作。

TD325

A

(编辑:武晓平)