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        深部煤層沿空巷道窄煤柱留設(shè)尺寸研究

        2018-12-29 05:52:42
        山東煤炭科技 2018年12期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形

        郜 露

        (潞安環(huán)能股份有限公司常村煤礦,山西 長治 046200)

        深部開采時,在高應(yīng)力作用下,深部巷道圍巖變形較淺部更加劇烈,易出現(xiàn)大變形而失穩(wěn)[1],因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,通過利用沿空掘巷技術(shù)[2],將巷道布置在臨采空區(qū)側(cè)煤體的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)來降低巷道圍巖的變形,這樣不僅能夠解決巷道圍巖應(yīng)力集中問題,而且能夠提高資源回收率,提高工作面生產(chǎn)效率。本文基于常村礦2105工作面間煤柱尺寸留設(shè)較大,易造成煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中,使得巷道變形嚴(yán)重的實(shí)際條件,進(jìn)行合理窄煤柱的尺寸留設(shè)研究,最終確定合理煤柱寬度,為工作面留煤柱沿空掘巷提供相應(yīng)借鑒。

        1 工程概況

        常村礦所采3#煤層位于山西組的中、下部,煤層賦存穩(wěn)定。該工作面平均煤層厚度5.85m,煤層傾角0o~7o,煤體容重1.4t/m3,煤層普氏硬度0.4。

        2105工作面地面標(biāo)高為+935.1~ +941.4m,工作面標(biāo)高為+420.6~ +485.1m,埋藏深度為453.2~517.7m 之間。

        2 窄煤柱留設(shè)尺寸理論分析

        上區(qū)段工作面開采后,側(cè)向煤體支承應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移,此時將沿空巷道布置在沿破碎區(qū)的塑性區(qū)內(nèi),可以有效改善巷道的圍巖力學(xué)環(huán)境?;诿后w應(yīng)力分布規(guī)律和彈性力學(xué)理論,建立如圖1所示窄煤柱力學(xué)模型。

        式(1)所示為極限平衡區(qū)理論計算公式[3]。

        式中:

        m-工作面采高,m;

        α-煤層傾角,(°);

        A-側(cè)壓系數(shù);

        K-應(yīng)力集中系數(shù);

        γ-上覆巖層平均體積力,MN/m3;

        H-巷道埋深,m;

        φ0-煤體內(nèi)摩擦角,(°);

        C0-煤體內(nèi)聚力,MPa;

        Px-上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護(hù)阻力,MPa。

        其中當(dāng)K=1時,即可得破碎區(qū)寬度:

        圖1 煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型

        基于彈塑性力學(xué)理論和極限平衡區(qū)理論,設(shè)計煤柱寬度B范圍如圖2所示。

        圖2 最小護(hù)巷煤柱寬度

        因此最小煤柱寬度為[4]:

        式中:

        X1-煤柱臨采空區(qū)側(cè)形成的破裂區(qū)寬度,即式(2)中x0,m;

        X2-錨桿有效長度,m;

        X3-考慮煤柱厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù),m。

        由式(1)和式(2)可得,取m=5.85m,α=5°,C0=3.0MPa,A=0.3,Px=0.4MPa,φ0=32°,γ=0.25MN/m3,H=485.5m,X2=2.2m,由此計算可得:

        因此計算得窄煤柱最小理論寬度為B=5.95~6.5m。

        3 窄煤柱穩(wěn)定性驗證

        基于上述理論數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬,分別選取窄煤柱寬度5m、6m、7m和8m四種模擬方案進(jìn)行分析驗證,通過對不同寬度煤柱的巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平糠謩e提取,獲得如圖3所示的不同煤柱寬度巷道變形曲線圖。

        圖3 不同煤柱寬度巷道變形曲線

        分析圖3可知,在5m煤柱時,巷道頂?shù)装逡平繛?43.8mm,兩幫移近量為308.4mm;當(dāng)煤柱為6m時,巷道頂?shù)装逡平繛?91.1mm,兩幫移近量為269.2mm,巷道圍巖變形整體呈下降趨勢;當(dāng)煤柱增加到7m時,巷道頂?shù)装逡平吭龃蟮?21.1mm,兩幫移近量也相應(yīng)增大到289.2mm;煤柱為8m時,巷道圍巖繼續(xù)增大,其中頂?shù)装逡平繛?35.1mm,兩幫移近量為281.0mm,因此整個巷道圍巖變形曲線近似呈漏斗形狀,即煤柱為6m時,巷道圍巖整體變形量最小。

        4 結(jié)論

        通過對常村礦2105工作面條件下的理論分析和計算,獲得窄煤柱最小理論寬度為5.95~6.5m。通過窄煤柱模擬,進(jìn)一步驗證確定了6m煤柱為合理窄煤柱寬度,該結(jié)論可為沿空巷道留設(shè)煤柱、巷道維護(hù)提供一定的借鑒意義。

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