張紅星,劉 鎬 ,高清平,黃棟梁,張啟松,張東洋
(六盤水師范學(xué)院, 貴州 六盤水市 553004)
沿空掘巷合理窄煤柱確定及相似模擬研究*
張紅星,劉 鎬 ,高清平,黃棟梁,張啟松,張東洋
(六盤水師范學(xué)院, 貴州 六盤水市 553004)
為提高煤與瓦斯突出煤層的快速掘進(jìn)及巷道穩(wěn)定性,以盛遠(yuǎn)煤礦為例,通過巷道周邊圍巖應(yīng)力分析、二維相似物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè),確定了沿空掘巷窄煤柱合理寬度。結(jié)果表明:窄煤柱留設(shè)寬度為5.0 m,具有一定的承載能力,巷道圍巖變形量較小,能大大提高巷道的穩(wěn)定性,同時(shí)降低了煤炭資源損失,實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。
沿空掘巷;相似模擬;窄煤柱;煤柱寬度
煤與瓦斯突出危險(xiǎn)已嚴(yán)重影響了工作面掘進(jìn)安全和速度。大量現(xiàn)場(chǎng)研究表明:采空區(qū)側(cè)范圍煤體存在一定的卸壓消突區(qū),在此區(qū)域內(nèi)實(shí)施沿空掘巷,不僅能提高煤巷穩(wěn)定性,同時(shí)能消除突出危險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。
然而,沿空掘巷的關(guān)鍵是確定窄煤柱的合理寬度,不同礦井煤巖賦存條件其煤柱寬度留舍存在明顯差異,不能依據(jù)經(jīng)驗(yàn)推斷。本文結(jié)合理論分析,通過二維相似物理模擬研究窄煤柱合理寬度,確保突出煤層沿空掘巷順利實(shí)施。
沿空掘巷應(yīng)力分布曲線如圖1所示。采空區(qū)側(cè)煤體經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的卸壓,瓦斯含量逐步降低,若殘余瓦斯壓力低于0.74 MPa,就相當(dāng)于在無突出危險(xiǎn)區(qū)域掘進(jìn),巷道掘進(jìn)的速度和安全性將得到大大提高,能保證礦井安全生產(chǎn)。合理的留設(shè)煤柱寬度有利于改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高窄煤柱、實(shí)體煤幫的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)煤巷在卸壓消突區(qū)內(nèi)安全掘進(jìn)。
合理窄煤柱寬度應(yīng)滿足:
w≤d-b-c
(1)
式中:d——卸壓消突區(qū);根據(jù)《煤與瓦斯突出規(guī)定》,結(jié)合礦井實(shí)際,取d=15 m;
c——防突安全距;根據(jù)《煤與瓦斯抽采基本指標(biāo)》,取c=5 m;
b——煤巷寬度;結(jié)合礦井實(shí)際,取b=4 m;
w——窄煤柱寬度。
將上述指標(biāo)代入式(1),可得沿空掘巷合理窄煤柱范圍:
w6 m
圖1 采空區(qū)側(cè)周邊圍巖應(yīng)力分布
盛遠(yuǎn)煤礦采用平硐+斜井開拓,單水平上下山開采,開采方式為走向長(zhǎng)壁后退式,采用綜合機(jī)械化采煤,全部垮落法管理頂板,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a,服務(wù)年限79 a。
41113工作面主要開采上二迭龍?zhí)睹航M11#煤層,俗稱大栓碳,黑色或褐黑色,塊狀或粉狀,線理至細(xì)條帶結(jié)構(gòu),斷口不平整,為半亮型煤。根據(jù)41113工作面實(shí)際揭露資料分析,該區(qū)域內(nèi)煤層厚度較穩(wěn)定,其厚度一般在2.8 m左右,傾角8°~10°,含3~4層夾矸,瓦斯含量為15.78 m3/t,為煤與瓦斯突出煤層。
相似模擬實(shí)驗(yàn)分別選取2,3,4,5,6 m 共計(jì)5種窄煤柱寬度模擬方案進(jìn)行對(duì)比分析,研究窄煤柱留設(shè)穩(wěn)定性。模型規(guī)格:長(zhǎng)×寬×高 = 4.0 m ×0.3 m ×1.8 m。幾何相似比 1/100 ,強(qiáng)度相似比為1/150,模型鋪設(shè)的巖層材料配比如表1所示,鋪設(shè)模型如圖2所示。鋪設(shè)過程中埋設(shè)壓力傳感器,分別布置在煤層底板和煤層中。為觀測(cè)模型在回采過程中的上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況,在模型中布置6條位移監(jiān)測(cè)線,每條監(jiān)測(cè)線安設(shè)9個(gè)位移點(diǎn),采用TS3890型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量處理儀進(jìn)行采集和記錄。
表1 巖層材料配比
圖2 鋪設(shè)模型全景
盛遠(yuǎn)煤礦41113工作面日進(jìn)刀數(shù)設(shè)計(jì)為7刀,采煤機(jī)截深0.6 m,則每天推進(jìn)4.2 m,即模擬時(shí)耗時(shí)144 min約割7刀,即模型中回采工作面每21 min回采一次,進(jìn)一刀推進(jìn)0.6 cm,按此速度開挖模型并持續(xù)向左推進(jìn)。當(dāng)工作面推進(jìn)80 cm時(shí),直接頂出現(xiàn)冒落,老頂出現(xiàn)大量裂隙,繼續(xù)推進(jìn)到145 cm時(shí),老頂出現(xiàn)斷裂,并周期下沉,待上一個(gè)工作面采空區(qū)形成后,放置1 d,直到上覆巖層穩(wěn)定后,沿采空區(qū)實(shí)施沿空掘巷。不同煤柱寬度模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3~圖7所示。
圖3 煤柱寬度2 m模擬實(shí)驗(yàn)
圖4 煤柱寬度3 m模擬實(shí)驗(yàn)
圖5 煤柱寬度4 m模擬實(shí)驗(yàn)
圖6 煤柱寬度5 m模擬實(shí)驗(yàn)
圖7 煤柱寬度6 m模擬實(shí)驗(yàn)
由圖3~圖7可知,隨著煤柱寬度增加,煤柱承受的最大應(yīng)力隨之增大。當(dāng)煤柱寬度為2~3 m時(shí),受上覆巖層集中應(yīng)力影響,煤柱片幫嚴(yán)重且出現(xiàn)離層,表明煤柱產(chǎn)生塑性破壞,已喪失承載能力,巷道穩(wěn)定性差。當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí),其承載能力和穩(wěn)定性均所提高,表明煤柱內(nèi)存在彈性區(qū)。當(dāng)煤柱寬度為5~6 m時(shí),巷道周邊圍巖基本無裂隙發(fā)育,煤柱承載能力進(jìn)一步提升。
綜上所述,結(jié)合理論分析與物理相似模擬試驗(yàn),確定沿空掘巷窄煤柱的合理留設(shè)寬度為5 m。
盛遠(yuǎn)煤礦41113工作面進(jìn)實(shí)施了留5 m煤柱沿空掘巷,采用十字布點(diǎn)法監(jiān)測(cè)巷道斷面的位移,結(jié)果如圖8所示。
由圖8可知,掘進(jìn)1~6 d內(nèi),巷道圍巖變形較為劇烈,巷幫平均移近速度 6.9 mm/d,最大移近量達(dá)到 160 mm,頂板平均下沉速率為9.1 mm/d,最大移近量達(dá)到37 mm,頂板整體離層量4.5 mm。6 d后,其變形趨于平緩。在掘進(jìn)過程中,頂?shù)装遄冃瘟恳h(yuǎn)遠(yuǎn)小于巷道兩幫,但煤柱穩(wěn)定性較好。表明:當(dāng)煤柱寬度為5.0 m時(shí),巷道圍巖變形量在安全范圍內(nèi),窄煤柱整體較好且穩(wěn)定。
圖8 巷道周邊圍巖變形曲線
通過應(yīng)力分析、二維相似物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè),確定了沿空掘巷窄煤柱合理寬度。窄煤柱留設(shè)寬度為5.0 m,具有一定的承載能力,巷道圍巖變形量較小,能大大提高巷道的穩(wěn)定性,同時(shí)降低了煤炭資源損失,實(shí)現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)。
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國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目(201510977010);貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字LKLS[2013]03號(hào));貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(黔教合KY字[2014]283號(hào)).
2017-06-10)
張紅星(1993-),男,河南人,技術(shù)員,從事煤礦開采技術(shù)方面工作, Email:907529196@qq.com。