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        構(gòu)造復(fù)雜煤層工作面煤柱寬度留設(shè)研究

        2019-09-09 07:09:24白云杰齊春濤
        煤礦現(xiàn)代化 2019年6期
        關(guān)鍵詞:煤柱寬度受力

        白云杰,齊春濤

        (山東里能魯西礦業(yè)有限公司,山東 濟(jì)寧 272000)

        0 引 言

        處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖層得到一個(gè)方向的空間釋放后,需要通過(guò)外力來(lái)控制以達(dá)到巖層的穩(wěn)定。采煤工作面的圍巖控制是保證煤炭安全采出的關(guān)鍵[1-4]。相鄰工作面之間的煤柱是保護(hù)巷道穩(wěn)定的重要影響因素,而煤柱的寬度又是煤柱發(fā)揮作用的關(guān)鍵。對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜煤層,煤柱寬度的留設(shè)不同于普通煤層。由于構(gòu)造復(fù)雜煤層頂板巖層多變,對(duì)煤柱的作用不均勻,不同位置的巖層對(duì)煤柱的破壞影響不同。因此,研究構(gòu)造復(fù)雜煤層的煤柱寬度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。本文以魯西煤礦3上118綜采工作面和3上116綜采工作面之間的煤柱為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道和煤柱的受力和變形特征,以選出最佳的煤柱寬度。

        1 工程概況

        魯西煤礦位于主要含煤地層為山西組和太原組,總厚度約為253.60m。3上煤層位于山西組中上部,埋深120~328m。3上煤層厚度為1.80-3.15m,煤層傾角20~100,煤內(nèi)部裂隙較發(fā)育。煤層的直接頂為粉砂巖,厚度為0.2-2.5m,平均2.3m,顏色為深灰色,下部灰黑色,巨厚層狀,泥質(zhì)結(jié)構(gòu);煤層基本頂為細(xì)砂巖,厚度為4.6~9.5m,平均為6.5m,顏色為灰色,薄層狀,細(xì)砂狀結(jié)構(gòu),參差狀斷口,波狀層理發(fā)育;直接底為粉砂質(zhì)泥巖,厚度為0.1~1.1m,平均0.5m,顏色為深灰色,上部厚層狀,下部薄層狀,平坦?fàn)顢嗫?;基本底為粉砂巖,厚度為0.6~6.1m,平均為4.2m,顏色為淺灰-灰白色,薄層狀,細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu),夾煤線(xiàn)及泥紋,顯示水平層理,局部夾泥質(zhì)包體。3上116工作面與3上118工作面為相鄰工作面,3上116工作面與3上118工作面之間需要留設(shè)保護(hù)煤柱。

        3上煤層受煤層沉積影響,煤層傾角、厚度變化較大,即為構(gòu)造復(fù)雜煤層。對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜煤層,煤柱寬度的留設(shè)不同于普通煤層。為保護(hù)相鄰巷道圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,提高煤炭開(kāi)采率,需要詳細(xì)研究煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定的影響規(guī)律。

        2 煤柱寬度數(shù)值模擬

        根據(jù)魯西煤礦的頂?shù)装鍘r層和煤層分布,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型,模型尺寸為300 m×100 m×62 m。對(duì)計(jì)算模型采用等分的方式劃分單元,共劃分出148500個(gè)長(zhǎng)方體單元和165031個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

        根據(jù)現(xiàn)有的研究和參考相鄰礦井的煤柱留設(shè)參數(shù),設(shè)計(jì)煤柱寬度為 2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m,分析3上118工作面運(yùn)輸巷道的垂直位移、水平位移和煤柱垂直應(yīng)力情況。

        2.1 巷道圍巖變形

        不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道垂直位移如圖1,不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道水平位移如圖1所示。

        圖1 不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道垂直位移

        圖2 不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道水平位移

        由圖1可知,隨著煤柱寬度的增加,3上118運(yùn)輸巷道垂直位移逐漸降低,當(dāng)煤柱寬度為2m時(shí)巷道垂直位移為268mm,這明顯超過(guò)巷道允許變形范圍。3上118運(yùn)輸巷道垂直位移隨煤柱寬度增加而降低的速率是不同的,呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度為6m時(shí),曲線(xiàn)出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)垂直位移為68mm,在允許巷道變形范圍內(nèi)。當(dāng)煤柱寬度大于6m時(shí),隨著煤柱寬度增加,3上118運(yùn)輸巷道垂直位移的變化不再明顯。所以,從巷道垂直位移的角度考慮,煤柱最佳寬度為6m。

        由圖2可知,隨著煤柱寬度的增加,3上118運(yùn)輸巷道水平位移逐漸降低,當(dāng)煤柱寬度為2m時(shí)巷道水平位移為256mm,這明顯超過(guò)巷道允許變形范圍。3上118運(yùn)輸巷道水平位移隨煤柱寬度增加而降低的速率是不同的,呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度為6m時(shí),曲線(xiàn)出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)垂直位移為50mm,在允許巷道變形范圍內(nèi)。當(dāng)煤柱寬度大于6m時(shí),隨著煤柱寬度增加,3上118運(yùn)輸巷道水平位移的變化不再明顯。所以,從巷道水平位移的角度考慮,煤柱最佳寬度為6m。

        2.2 煤柱受力

        不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道與3上116回風(fēng)巷道之間的煤柱垂直受力如圖3所示。

        由圖3可知,隨著煤柱寬度的增加,煤柱垂直受力逐漸降低,當(dāng)煤柱寬度為2m時(shí)煤柱垂直受力為15MPa,這基本超過(guò)煤體的抗壓強(qiáng)度,說(shuō)明煤柱進(jìn)入塑性階段。煤柱垂直應(yīng)力隨煤柱寬度增加而降低的速率是不同的,呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度為5~6m時(shí),曲線(xiàn)變化趨勢(shì)改變的相對(duì)較明顯,此時(shí)煤柱垂直應(yīng)力約為6~7.5MPa,未超過(guò)煤體的強(qiáng)度。當(dāng)煤柱寬度大于7m時(shí),隨著煤柱寬度增加,煤柱垂直應(yīng)力的變化不再明顯。所以,從煤柱垂直應(yīng)力的角度考慮,煤柱最佳寬度為5~6m。

        圖3 不同煤柱寬度下煤柱垂直受力

        綜合煤柱垂直應(yīng)力、不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道垂直位移和水平位移,確定3上118運(yùn)輸巷道與3上116回風(fēng)巷道之間的煤柱最佳寬度為6m。

        3 結(jié) 論

        構(gòu)造復(fù)雜煤層煤柱寬度的留設(shè)不同于普通煤層。通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道垂直位移和水平位移、以及不同煤柱寬度下煤柱垂直受力。

        從巷道垂直位移的角度考慮,煤柱最佳寬度為6m;從巷道水平位移的角度考慮,煤柱最佳寬度為6m。綜合煤柱垂直應(yīng)力、不同煤柱寬度下3上118運(yùn)輸巷道垂直位移和水平位移,3上118運(yùn)輸巷道與3上116回風(fēng)巷道之間的煤柱最佳寬度為6m。

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