申培文

（山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)處，山西晉城048006）

大采高綜采工作面區(qū)段煤柱的合理尺寸

申培文

（山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)處，山西晉城048006）

以晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊礦五盤區(qū)首采面巷道間的煤柱留設(shè)為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法，分析大采高工作面煤柱尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：趙莊礦五盤區(qū)首采面巷道間的煤柱寬度應(yīng)為40 m。5302工作面采用寬度40 m的煤柱進(jìn)行巷道錨桿支護(hù)，效果良好，圍巖完整、穩(wěn)定。理論計(jì)算、數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的煤柱尺寸滿足安全生產(chǎn)需要。該研究為大采高綜采工作面區(qū)段煤柱合理選擇提供了依據(jù)。

大采高工作面；區(qū)段煤柱；合理尺寸；圍巖；穩(wěn)定性

隨著大功率采煤機(jī)、高工作阻力液壓支架及配套輔助運(yùn)輸設(shè)備等的問(wèn)世，大采高一次采全厚的采煤工藝成為厚煤層開采的主要發(fā)展方向之一。該采煤工藝具有生產(chǎn)能力大、回采率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于大采高巷道高度、斷面較大，維護(hù)困難等，區(qū)段煤柱對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)影響較大，因此，大采高區(qū)段煤柱成為目前大采高工作面研究的熱點(diǎn)［1-2］。筆者以晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊礦五盤區(qū)首采面巷道間的煤柱留設(shè)為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法，分析大采高工作面煤柱尺寸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，具有一定的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1　工程概況

圖3　煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布Fig.3 Elastic-plasticdeformationzoneand stressdistributionofcoalpillar

5302工作面為趙莊煤礦五盤區(qū)首個(gè)大采高工作面，工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)為219.70m，走向長(zhǎng)度分為兩個(gè)階段，其中，一階段969.6m，二階段807.4m；工作面煤層厚度為4.2～4.7m，平均4.6m；煤層傾角為1°～15°，平均8°。工作面采用走向長(zhǎng)壁一次采全高后退式垮落綜合機(jī)械化采煤法，選用ZYT12000/28/62型兩柱掩護(hù)式液壓支架及其相配套的端頭液壓支架和過(guò)渡液壓支架。巷道布置方式為“二進(jìn)二回”式，工作面53021～53024巷沿煤層頂板掘進(jìn)，采用錨、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。回采巷道為矩形斷面，其中，53023巷道凈寬4.8m，凈高4.2m；53024巷道凈寬4.8m，凈高4.4m。5302工作面分兩階段布置，如圖1所示。工作面?zhèn)雾敒槠骄穸?.95m的砂質(zhì)泥巖，直接頂板為平均厚度6.70m的中粒砂巖，老頂為厚度4.15m的粗粒砂巖，直接底為平均厚度8.03m的深灰色粉砂巖，局部相變?yōu)槟鄮r。

圖1　5302工作面兩階段布置Fig.1 5302workingfacelayoutintwophases

2　煤柱合理尺寸的確定

采區(qū)巷道煤柱穩(wěn)定性主要受兩個(gè)因素的影響，一是順槽巷道布置方式導(dǎo)致采場(chǎng)應(yīng)力重新分布；二是煤柱尺寸。因此，綜合考慮采場(chǎng)空間的應(yīng)力分布是確定煤柱合理尺寸的關(guān)鍵。圖2為5302工作面順槽煤柱留設(shè)方式。由圖可知，順槽的穩(wěn)定性直接取決于所留煤柱尺寸，如果留取的煤柱過(guò)大，會(huì)降低煤炭資源的回收率，反之則會(huì)直接影響順槽巷道的穩(wěn)定性。

圖2　趙莊煤礦3#煤層順槽煤柱留設(shè)方式Fig.2 Zhaozhuangcoalmineno.3coalseam gatewaypillarschematicdesignway

2.1護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的臨界條件

煤柱寬度是影響煤柱穩(wěn)定性和巷道維護(hù)的主要因素。煤柱的邊緣條件、力學(xué)性質(zhì)、幾何尺寸以及形狀對(duì)煤柱的極限承載能力有著顯著的影響。煤巷兩側(cè)區(qū)域的回采空間與采準(zhǔn)巷道各自形成塑性變形區(qū)，一般認(rèn)為，塑性變形區(qū)和塑性區(qū)的寬度分別為如圖3所示。

煤柱能夠保持穩(wěn)定的基本條件是：隨著回采工作面的推進(jìn)或采準(zhǔn)巷道的開挖，預(yù)留煤柱兩側(cè)產(chǎn)生的塑性變形會(huì)隨著時(shí)間的推移，在預(yù)留煤柱中央產(chǎn)生一定寬度的彈性核，其中，彈性核的寬度一般不小于此預(yù)留煤柱高度的2倍。因此，即使在煤柱內(nèi)開掘一條斷面面積很小的巷道，也會(huì)引起煤柱應(yīng)力重新分布，從而造成煤柱的有效支承面積減少，支承能力急劇下降［4-8］。由此可見(jiàn)，受采動(dòng)影響，煤柱寬度留設(shè)大小是影響原巖應(yīng)力重新分布的重要因素。煤柱寬度臨界條件為

式中：b——煤柱的寬度，m；

h——煤柱的高度，m。

2.2煤柱寬度理論計(jì)算

根據(jù)煤柱能承受極限載荷的理論觀點(diǎn)，煤柱的寬度必須保證其極限載荷P不超過(guò)它的極限強(qiáng)度

式中：σc——煤柱原位臨界立方體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

bc——采空區(qū)寬度，m；

H——巷道深度，m；

δ——采空區(qū)上覆巖層垮落角，（°）；

γ——上覆巖層平均容重，kN/m3；

k——采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)。

5302工作面開采3#煤平均埋藏深度取432 m，工作面寬度（bc）約為220 m，采空區(qū)上覆巖層垮落角取為30°，煤柱平均高度取4.6 m，上覆巖層平均容重（γ）為25 kN/m3，平均單軸抗壓強(qiáng)度（σc）取10.3 MPa。將上述參數(shù)代入式（3）和（4），求得b= 31.5 m。考慮趙莊煤礦3#煤層復(fù)雜的地質(zhì)條件，安全系數(shù)f取1.2，則實(shí)際工作狀態(tài)下煤柱的留設(shè)寬度不應(yīng)小于37.8 m。

3　數(shù)值模擬

根據(jù)工作面力學(xué)參數(shù)，利用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬［11］，分析預(yù)留30、40、50 m不同寬度時(shí)煤柱的垂直應(yīng)力、塑性區(qū)分布情況。

3.1垂直應(yīng)力分布

不同工況條件下垂直應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

圖4　不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Different coal pillar width of verticalstress distribution nephogram

由圖4所示，當(dāng)留設(shè)50 m煤柱時(shí)，煤柱集中應(yīng)力在靠近采空區(qū)側(cè)集中，垂直應(yīng)力在33～34MPa之間，巷道側(cè)應(yīng)力集中程度較低；寬度為40 m時(shí)，煤柱應(yīng)力呈“馬鞍型”，垂直應(yīng)力為33 MPa；寬度為30 m時(shí)，煤柱兩側(cè)應(yīng)力集中，側(cè)向支承壓力疊加，產(chǎn)生中央彈性核，彈性核寬度為7 m，垂直應(yīng)力達(dá)到35 MPa。根據(jù)應(yīng)力分布情況，該工作面區(qū)段煤柱尺寸應(yīng)大于30 m。

3.2塑性區(qū)分布

煤柱塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5可以看出，煤柱寬度為30 m時(shí)，煤柱底板完全處于塑性區(qū)，整體幾乎處于剪切破壞狀態(tài)，這時(shí)煤柱是不穩(wěn)定的；逐漸增加煤柱寬度到40m時(shí)，煤柱底板塑性區(qū)面積減小，尚有部分處于剪切破壞狀態(tài)，主要集中在靠采空區(qū)側(cè)，這時(shí)煤柱可以保持穩(wěn)定；煤柱寬度為50 m時(shí)，靠采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)范圍變化不大。從塑性區(qū)分布情況看，煤柱合理寬度不應(yīng)小于40 m。

圖5　不同寬度煤柱塑性區(qū)分布Fig.5 Different coal p illar w idth of coal pillar plastic zone distribution

4　巷道表面位移觀測(cè)

4.1測(cè)站布置

為了驗(yàn)證留設(shè)煤柱受采動(dòng)影響的變形情況，采用十字布點(diǎn)法分別在53023、53024巷道布置八組表面位移測(cè)站，見(jiàn)表1。

表1　各巷道表面位移測(cè)站位置Table 1 Surface disp lacement of station location layou t

4.2觀測(cè)結(jié)果

在5302工作面第一、第二階段回采期間對(duì)16組巷道表面位移測(cè)站進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。選取具有代表性的測(cè)點(diǎn)繪制表面位移數(shù)據(jù)分析曲線，如圖6所示，其中，s為變形量，l為距工作面距離。

從圖6中可以看出，巷道受采動(dòng)影響范圍為工作面前方約60 m至工作面后方180 m左右。一階段兩幫最大移近量為150 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm。二階段兩幫最大移近量為156 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?30 mm，最大底臌量為140 mm。綜合以上分析，煤柱在動(dòng)壓影響下，在超前壓力期間和滯后壓力期間變形基本不大，說(shuō)明40m煤柱能夠滿足安全使用要求。

圖6　巷道表面位移測(cè)點(diǎn)變形量Fig.6 Surfacemeasuring points disp lacemen t data analysis in roadway

5　結(jié) 論

（1）根據(jù)長(zhǎng)壁工作面煤柱載荷受力分析結(jié)果，趙莊煤礦大采高5302工作面順槽煤柱合理寬度不應(yīng)小于37.8 m。

（2）數(shù)值模擬顯示，隨著煤柱寬度的增加煤柱及巷道穩(wěn)定性逐漸增加，煤柱寬度從30 m增加到40 m時(shí)，煤柱及巷道穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，煤柱寬度繼續(xù)增加，其塑性區(qū)變化不明顯，故煤柱合理寬度不應(yīng)小于40 m。

（3）巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，趙莊礦5302工作面采用寬度40 m的煤柱，巷道圍巖完整，支護(hù)效果良好。

（4）理論計(jì)算、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果一致，證明所選煤柱是合理、安全的，為大采高綜采工作面區(qū)段煤柱合理選擇提供了依據(jù)。

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（編輯荀海鑫）

Reasonable dimension tailored for coal pillars between fully mechanized working face sections of largerm ining-height

SHEN Peiwen
（Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co Ltd.，Production Technology，Jincheng 048006，China）

This paper is a targeted analysis of the effect on the stability of roadway surrounding rock of coal pillar size designed for the working face section of a largermining heightas in the case of the arrangement of coal pillars between the initialmining face roadway in five panels of Zhaozhuangmine in Jincheng coal group.This analysis builds on the theoretical calculation，numerical simulation and in-situ observation and othermethods.The results show that 40 m should be the adopted width for coal pillars between the initialmining face roadway in five panels of Zhaozhuangmine in Jincheng coal group.The roadway boltsupportbased on coal pillarwith the width of40m，a newly initiated practice in 5302 working face gives a better effectand above all a greater surrounding rock integrity and stability.The conformity between theoretical calculation，numerical simulation and the actual situation explains that the designed coal pillar size is completely adequate for safe production.The study would provide a basis for the reasonable selection of coal pillar tailored for fully mechanized working face section of a larger mining height.

large-mining-height face；section-coal-pillar；reasonable size；surrounding rock；stability

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.018

TD822.3

2095-7262（2014）05-0520-04

A

2014-05-26

申培文（1979-），男，山東省陽(yáng)谷人，助理工程師，碩士，研究方向：煤礦礦山壓力，E-mail：shenpw2008@163.com。