蔡志炯

(大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西省大同市,037000)

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特厚煤層綜放面區(qū)段煤柱合理尺寸研究

蔡志炯

(大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西省大同市,037000)

摘 要根據(jù)金莊礦8203特厚煤層綜放面實(shí)際,采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法確定了區(qū)段煤柱合理寬度。理論研究了煤層厚度、應(yīng)力集中系數(shù)、煤層強(qiáng)度對(duì)煤柱寬度的影響,確定區(qū)段煤柱寬度應(yīng)大于23 m。采用FLAC3D模擬了煤柱寬度為16 m、20 m和24 m時(shí),其兩側(cè)工作面開采過程中煤柱內(nèi)塑性區(qū)和應(yīng)力分布及變化規(guī)律,模擬結(jié)果表明煤柱寬度為16 m、20 m時(shí),在兩側(cè)工作面回采的過程中,塑性區(qū)將會(huì)貫通煤柱;當(dāng)煤柱寬度增加到24 m時(shí),塑性區(qū)沒有貫穿整個(gè)煤柱,煤柱內(nèi)部存在8 m寬的彈性區(qū)。現(xiàn)場實(shí)測表明左側(cè)工作面回采過程中煤柱破壞寬度為5 m左右,右側(cè)工作面回采階段煤柱破壞寬度為15 m,故首采工作面采用30 m寬的煤柱尺寸偏大,同理本研究也為后續(xù)工作面選擇合理的區(qū)段煤柱尺寸提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞特厚煤層 區(qū)段煤柱 數(shù)值模擬 煤柱尺寸

Study on reasonable size of section coal pillar in fully mechanized caving face in extra-thick coal seam

Cai Zhijiong
(Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037000,China)

Abstract According to actual condition of 8203 fully mechanized caving face in extra-thick coal seam in Jinzhuang Mine,the reasonable size of section coal pillar was determined by theoretical analysis,numerical simulation and field measurement.The effects of seam thickness,stress concentration factor and coal strength on pillar width were analyzed by theoretical study,and it confirmed that the width of section coal pillar must be greater than 23 m.The distribution and change rules of plastic zone and stress in coal pillar in the mining process of working faces on both sides of coal pillar were simulated by FLAC 3D when the width of coal pillar was designed as 16 m,20 m or 24 m.The results showed that when the width of coal pillar was 16 m or 20 m,the plastic zone could get throughout the pillar;when the width was 24 m,the plastic zone could not get through the pillar and there was an 8 m wide elastic zone in the pillar.Field measurement indicated that the failure width of the section coal pillar in the mining process of the left-side face and right-side face were respectively 5 m and 15 m,so the 30 m wide coal pillar in first mining face was too large.This research also provided guidance for follow-up working face mining to select reasonable size of section coal pillar.

Key words extra-thick coal seam,section coal pillar,numerical simulation,coal pillar size

長壁工作面開采中,留設(shè)區(qū)段煤柱維護(hù)回采巷道的穩(wěn)定性一直是最廣泛使用的方法.目前一些學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等方面對(duì)沿空掘巷小煤柱尺寸和穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究,取得了一些成果.有文章研究表明在煤層厚度不是特別大的條件下,綜放面區(qū)段小煤柱能保證回采巷道的穩(wěn)定性;還有文獻(xiàn)研究表明在采動(dòng)支承壓力作用下特厚煤層綜放面區(qū)段窄煤柱穩(wěn)定性差、巷道變形量大.留設(shè)大煤柱(＞15 m)依然是特厚煤層綜放面的主要巷道布置方式,但目前針對(duì)特厚煤層區(qū)段留設(shè)大煤柱的相關(guān)研究還較少.本文針對(duì)金莊礦實(shí)際生產(chǎn)條件,開展了特厚煤層綜放面區(qū)段煤柱合理尺寸的研究.

1　工程概況

金莊礦8203首采工作面為北二盤區(qū)內(nèi)從井底車場順大巷往東南方向布置的第三個(gè)工作面,其西南側(cè)為相鄰的8202工作面,是首采面的接替面,8203工作面走向長1450 m,傾斜長220 m,主采石炭系3＃、5＃煤層,煤厚12.20～18.10 m.偽頂為灰黑色泥巖,厚度0.6～6 m,直接頂為灰白色細(xì)砂巖,厚度5～12 m,老頂為灰白色含礫粗砂巖、粉砂巖與中粒砂巖互層,厚度15～30 m,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測,8203首采面的5203回風(fēng)巷與接替8202工作面的2202運(yùn)輸巷巷間的區(qū)段煤柱寬度為30 m,根據(jù)現(xiàn)場需要,進(jìn)一步研究了巷道變形、煤柱應(yīng)力等方面內(nèi)容,以論證所留設(shè)煤柱寬度的合理性.

2　理論計(jì)算分析

由于區(qū)段煤柱長度遠(yuǎn)大于其寬度,因此可以將其視為平面問題,不考慮煤柱前、后兩端的邊緣效應(yīng).王旭春等在A·H·威爾遜煤柱設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上通過詳細(xì)的推導(dǎo)與分析,給出了煤柱所能承受的極限載荷為:

煤柱實(shí)際承受的載荷為:

式中:a——煤柱寬度,m;

b——采寬(工作面寬度),m;

H——開采深度,m;

γ——上覆巖層的平均體積力,N/m3;

C——煤體的黏聚力,MPa;

φ——為內(nèi)摩擦角,(°);

λ——應(yīng)力集中系數(shù),試驗(yàn)取0.4～0.8;

k——實(shí)際煤柱寬度與A·H·威爾遜煤柱寬度之比,取0.225～0.25;

M——平均采厚,取16 m;

L——條帶煤柱的長度,m.

保證煤柱不失穩(wěn)的必要條件為:

由式(1)～(3)可得:

由式(4)可知,煤柱寬度與煤層厚度、k值、內(nèi)摩擦角以及應(yīng)力集中系數(shù)等有關(guān),結(jié)合8203工作面實(shí)際成產(chǎn)條件工作面寬度為220 m,上覆巖層的平均體積力為19000 N/m3,開采深度為300 m,煤體的黏聚力為3.07 MPa以及試驗(yàn)測得數(shù)據(jù),使用控制變量法得煤柱寬度與M、k、φ、λ之間的關(guān)系如圖1所示.

由圖1可知,綜放面區(qū)段煤柱寬度與煤層厚度、k值、應(yīng)力集中系數(shù)基本呈線性關(guān)系,與內(nèi)摩擦角呈非線性關(guān)系.且煤層厚度對(duì)區(qū)段煤柱寬度影響較大;內(nèi)摩擦角反映了煤體強(qiáng)度與煤柱寬度間的關(guān)系,隨著煤體強(qiáng)度的增加,煤柱寬度逐漸降低,且降低幅度也隨之下降.金莊礦8203工作面實(shí)際條件中煤層平均厚度M為16 m,k值取0.225,內(nèi)摩擦角φ取35°,應(yīng)力集中系數(shù)取0.8,得工作面區(qū)段煤柱寬度應(yīng)大于23 m.

圖1　煤柱寬度與M、k、φ、λ之間的關(guān)系

3　數(shù)值模擬研究

3.1數(shù)值模型建立

采用FLAC3D軟件分析煤柱兩側(cè)工作面不同開采階段煤柱的應(yīng)力和塑性區(qū)演化規(guī)律.建立的數(shù)值模型尺寸為260 m×200 m×200 m (長×寬× 高),底板邊界垂直方向固定,左右和前后邊界水平方向固定,采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算.

3.2模擬方案

模擬時(shí)煤柱寬度分別取16 m、20 m、24 m,分析左側(cè)工作面推進(jìn)完成后右側(cè)工作面推進(jìn)80 m、100 m、180 m和200 m時(shí),推進(jìn)方向前方110 m截面處煤柱的應(yīng)力及塑性區(qū)演化情況,模擬方案如圖2所示.

圖2　模擬方案示意圖

3.3模擬結(jié)果分析

3.3.1煤柱寬度為16 m時(shí),煤柱塑性區(qū)和應(yīng)力

(1)隨著左側(cè)工作面不斷推進(jìn),煤柱左側(cè)塑性區(qū)不斷向內(nèi)部發(fā)展,應(yīng)力峰值不斷增大并向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移.當(dāng)左側(cè)工作面開采完畢后,煤柱左側(cè)塑性區(qū)深度側(cè)向達(dá)到7 m,煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值達(dá)到39 MPa,采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)為4.3左右.

(2)在右側(cè)工作面推進(jìn)過程中,煤柱右側(cè)塑性區(qū)從底部開始發(fā)展,且當(dāng)右側(cè)工作面推進(jìn)至80 m 時(shí),煤柱底部左右兩側(cè)塑性區(qū)首先貫通,煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增長.當(dāng)右側(cè)工作面推進(jìn)至200 m時(shí),應(yīng)力峰值降至17.8 MPa.

(3)左側(cè)工作面開采過程中,煤柱塑性區(qū)只在左側(cè)發(fā)展,煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)較低,煤柱可以保持較好的穩(wěn)定性.但在右側(cè)工作面回采期間,在工作面推進(jìn)到80 m,觀測截面110 m處煤柱內(nèi)塑性區(qū)貫通,應(yīng)力快速下降,表明煤柱已經(jīng)失去承載能力.即煤柱在工作面前方30 m就已經(jīng)發(fā)生破壞.

3.3.2煤柱寬度為20 m時(shí),煤柱內(nèi)塑性區(qū)和應(yīng)力

(1)煤柱寬度由16 m增加至20 m,煤柱承載能力增大.但當(dāng)右側(cè)工作面推進(jìn)至100 m時(shí),整個(gè)煤柱塑性區(qū)貫通.在右側(cè)工作面開挖的全過程中仍然發(fā)生了完全塑性破壞.

(2)20 m煤柱塑性區(qū)貫通時(shí)應(yīng)力峰值比16 m煤柱小,且煤柱破壞后的整體殘余強(qiáng)度也要大于16 m煤柱,說明20 m煤柱比16 m煤柱承載能力強(qiáng).

3.3.3煤柱寬度為24 m時(shí)煤柱內(nèi)塑性區(qū)和應(yīng)力

(1)當(dāng)煤柱寬度由20 m增加到24 m時(shí),煤柱塑性區(qū)發(fā)育與應(yīng)力變化情況與16 m時(shí)相比煤柱受力發(fā)生了較大變化.在左側(cè)工作面推進(jìn)完成時(shí),左側(cè)塑性區(qū)最大側(cè)向發(fā)育深度為5 m,塑性區(qū)發(fā)育面積相比于20 m寬煤柱要小得多.

(2)在右側(cè)工作面推進(jìn)過程中,煤柱右側(cè)塑性區(qū)不斷發(fā)育,但是與左側(cè)工作面推進(jìn)過程中形成的塑性區(qū)沒有貫穿.當(dāng)右側(cè)工作面推進(jìn)至200 m時(shí),煤柱塑性區(qū)形狀發(fā)育大致呈左右兩半圓形分布,其塑性區(qū)深度兩側(cè)各8 m,煤柱內(nèi)部仍然存在8 m寬的彈性區(qū),即煤柱仍處于穩(wěn)定狀態(tài).

(3)在右側(cè)工作面開采期間,開采形成的煤柱側(cè)向應(yīng)力峰值不斷增大且向內(nèi)移動(dòng),但與左側(cè)工作面開采形成的側(cè)向支承壓力峰值沒有重合,證明中間還有一部分應(yīng)力較小的彈性區(qū),最終煤柱應(yīng)力大致呈馬鞍形分布,即煤柱兩邊雖已出現(xiàn)部分破壞,煤柱中間部分應(yīng)力升高,但是仍有一部分處于彈性區(qū),煤柱可保持自身的穩(wěn)定.

3.3.4煤柱寬度為24 m時(shí),工作面巷道受力

由數(shù)值模擬結(jié)果可知當(dāng)煤柱寬度為24 m時(shí),當(dāng)右側(cè)工作面推進(jìn)180 m時(shí),190 m斷面處8202工作面的2202運(yùn)輸巷頂板下沉量僅為230 mm,兩幫移進(jìn)量也只有70 mm,右側(cè)工作面超前支護(hù)段巷道變形量較小,可以保持較好的穩(wěn)定性,從而可知當(dāng)煤柱寬度為24 m時(shí),8202工作面運(yùn)輸巷易維護(hù).

4　現(xiàn)場實(shí)測

在首采8203工作面前方100 m的回風(fēng)巷內(nèi),與底板距離1.5 m,每隔1.5 m向煤柱內(nèi)布置一個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì),鉆孔深度依次為3 m、5 m、10 m、15 m,且為了驗(yàn)證所測數(shù)據(jù)的正確性,在15 m鉆孔后方布置第二個(gè)5 m鉆孔(圖中稱為2鉆孔),鉆孔應(yīng)力觀測結(jié)果如圖3所示.

圖3　鉆孔應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化值

由圖3可知,3 m深鉆孔的應(yīng)力變化表現(xiàn)基本與兩個(gè)5 m深鉆孔相同,只是應(yīng)力峰值要比5 m鉆孔要小,這主要由于3 m處靠近煤柱邊緣,水平應(yīng)力相對(duì)于5 m深處要小,因而數(shù)值應(yīng)力相對(duì)減小;而10 m鉆孔則并沒有應(yīng)力下降,可見其并沒有破壞;15 m鉆孔應(yīng)力變化相較其他鉆孔應(yīng)力變化發(fā)生了本質(zhì)變化,其應(yīng)力增長緩慢,也很少有突越,只有當(dāng)工作面推進(jìn)到距離該孔5 m時(shí),該孔發(fā)生破裂應(yīng)力才出現(xiàn)比較大的增長,整個(gè)過程應(yīng)力始終不太大,這主要是由于15 m鉆孔深處煤柱并未破壞,側(cè)向支承壓力峰值沒有轉(zhuǎn)移到距離煤柱表面15 m處,故煤柱存在彈性區(qū).可見采用30 m煤柱時(shí),采動(dòng)影響下煤柱破壞區(qū)寬度大約為5～10 m,巷道變形量也較小.后期右側(cè)工作面開采階段煤柱塑性區(qū)寬度大約為10 m,故煤柱內(nèi)有10 m的彈性核,煤柱尺寸偏大.

5　結(jié)論

(1)采用理論分析的方法得出特厚煤層區(qū)段煤柱受煤層強(qiáng)度的影響較大,且與采高、k值、應(yīng)力集中系數(shù)滿足線性關(guān)系,確定8203工作面煤柱寬度應(yīng)大于23 m.

(2)當(dāng)煤柱寬度為16 m、20 m時(shí),當(dāng)右側(cè)工作面分別回采80 m、100 m時(shí)塑性區(qū)將會(huì)貫通煤柱,導(dǎo)致其失去承載能力,這兩種煤柱寬度的承載能力和應(yīng)力分布變化較小;而當(dāng)煤柱寬度為24 m 時(shí),在右側(cè)工作面推進(jìn)過程中,塑性區(qū)沒有貫穿整個(gè)煤柱,在右側(cè)工作面推進(jìn)200 m時(shí)煤柱塑性區(qū)形狀發(fā)育大致呈左右兩半圓形分布,其塑性區(qū)深度兩側(cè)各8 m,煤柱內(nèi)部仍然存在8 m寬的彈性區(qū),應(yīng)力分布呈馬鞍型,煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài).

(3)理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明,當(dāng)煤柱寬度大于23 m時(shí),在工作面回采過程中能夠保證巷道的穩(wěn)定性.所以現(xiàn)場采用30 m寬的煤柱尺寸偏大,可以進(jìn)一步縮小煤柱尺寸,提高資源回收率.

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

作者簡介:蔡志炯(1981－),男,山西大同人,本科學(xué)歷,初級(jí)工程師,現(xiàn)從事煤礦技術(shù)管理工作。

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