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        小保當(dāng)煤礦保護(hù)煤柱尺寸的研究

        2021-01-06 06:32:54
        煤礦現(xiàn)代化 2021年1期

        何 沐

        (中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司,北京100120)

        1 概述

        小保當(dāng)一號井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500 萬t/a,主要可采煤層2-2 煤,屬近水平煤層,煤層厚度平均6.0 m,煤層傾角平均1°,埋深平均350m, 工作面長度350m,順槽長度6000m 左右,采煤方法為一次采全高。112201 工作面是小保當(dāng)一號井的首采面,兩側(cè)均為實(shí)體煤,巷道與2-2 煤西翼回風(fēng)大巷相連,112201工作面布置四條順槽巷道,膠運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽和兩條回風(fēng)順槽,巷道尺寸為6.0×4.4m,大巷及工作面布置圖見圖1。

        圖1 小保當(dāng)煤礦巷道及回采工作面布置圖

        小保當(dāng)煤礦由于工作面采用雙U 通風(fēng)方式,在回采巷道間存在保護(hù)煤柱,煤柱的大小直接影響了大斷面巷道的支護(hù)參數(shù),因此需要提前確定回采巷道的煤柱尺寸,并且巷道尺寸較大,為了提高煤炭回采率,確保工作回采期間巷道的安全,需要合理的確定回采巷道之間的保護(hù)煤柱,以及回采巷道的支護(hù)方式,為以后巷道的支護(hù)提供合理的參考依據(jù)[1,2]。

        2 煤柱尺寸理論計(jì)算

        通過分析可知,最小的煤柱寬度應(yīng)該是由煤柱的兩側(cè)的塑性區(qū)加上中部的核心區(qū)寬度,用公式(1)表達(dá)為:

        式中:B 為區(qū)段煤柱寬度,m;x1和x3分別為煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度,m;x2為核區(qū)寬度,m。

        采空區(qū)一側(cè)的塑性寬度我們有相應(yīng)的計(jì)算公式,因此在另一側(cè)的塑性區(qū)寬度計(jì)算公式可以表示為:

        式中:m 為煤層的開采厚度;φ 為煤層的內(nèi)摩擦角;d 為開采擾動因子,d=1.5~3.0;C 為煤層的粘聚力;σ1為煤柱極限強(qiáng)度;σx為煤壁的側(cè)向約束應(yīng)力;

        β 為塑性區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)。[3,4]

        圖2 合理煤柱寬度計(jì)算簡圖

        根據(jù)對小保當(dāng)一號井2-2 煤的特點(diǎn)分析和性能測試,根據(jù)相關(guān)成果,巷道高度取4.2m,采高定為5.95m,選取塑性區(qū)寬度計(jì)算的其他參數(shù)見表1。

        按巷道高度計(jì)算得區(qū)段煤柱寬度B=18.68m。

        按采高計(jì)算得區(qū)段煤柱寬度B=24.17m。

        因此,合理的煤柱范圍為18.68~24.17m。

        表1 計(jì)算參數(shù)選取表

        3 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律數(shù)值模擬分析

        3.1 數(shù)值模型

        模型以小保當(dāng)煤礦2-2 煤層條件為依據(jù),模型尺寸為517m×350m×180m(如圖3 所示)。

        圖3 數(shù)值模擬模型

        為了研究留設(shè)不同煤柱寬度時(shí),巷道狀態(tài),本次試驗(yàn)建立了3 個(gè)不同尺寸的煤柱模型。依次為112201 大采高綜采面2 個(gè)2-2 煤回風(fēng)順槽之間留設(shè)15m、20m、25m 煤柱,右側(cè)2-2 煤回風(fēng)順槽為留巷。

        圖4 給出了煤層所在平面的工作面布置概況。圖4 中112201 大采高綜采面2 個(gè)2-2 煤回風(fēng)順槽之間的煤柱分別為15m、20m、25m;左邊2-2 煤回風(fēng)順槽左側(cè)為112201 工作面,約175m;右邊2-2 煤回風(fēng)順槽右側(cè)為實(shí)體煤,寬度分別為315m、310m、305m。

        工作面回采后,可以假定采空區(qū)的位移以工作面的中心為對稱軸,因此左側(cè)邊界取半個(gè)工作面寬度,以便施加固定位移邊界條件。本小節(jié)選擇圖4(a)中的A-A 截面作為研究對象。A-A 截面在模型中與X軸平行,坐標(biāo)為Z=27,與工作面起始位置的距離為175m,可以避免工作面后方實(shí)體煤的影響。該位置的應(yīng)力分布可以代表整個(gè)工作面大部分范圍的受力狀況。圖中-160m 表示112201 工作面距離A-A 截面處為160m,A-A 截面尚未開采;5m 表示112201 工作面已經(jīng)采過A-A 截面5m,處于采空區(qū)內(nèi)部5m,其余圖例中數(shù)字的意義可類推。112201 工作面對應(yīng)的X軸坐標(biāo)范圍為0-175,左側(cè)膠運(yùn)順槽對應(yīng)的X 軸坐標(biāo)范圍為175-181,護(hù)巷煤柱對應(yīng)的X 軸坐標(biāo)范圍為181-196,右側(cè)輔運(yùn)順槽對應(yīng)的X 軸坐標(biāo)范圍為196-202。

        圖4 煤層平面工作面布置圖

        3.2 15m 煤柱時(shí)工作面回采過程中煤層中部垂直應(yīng)力分布

        模擬了煤柱寬度15m 時(shí)112201 工作面回采過程中,A-A 截面處的垂直應(yīng)力變化過程,從圖5 可以看到112201 工作面與A-A 截面距離為160m 時(shí),A-A 截面處的垂直應(yīng)力大致和原巖垂直應(yīng)力相當(dāng),這說明在采煤工作面前方160m 以外區(qū)域,工作面的采動影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)距離為70m 時(shí),A-A 截面處已經(jīng)進(jìn)入112201 工作面超前應(yīng)力影響范圍,但超前應(yīng)力值不高,僅超出原巖應(yīng)力3.42MPa 左右。當(dāng)距離為10m 時(shí),A-A 截面處超前應(yīng)力達(dá)到最大。當(dāng)112201 工作面回采經(jīng)過A-A 截面時(shí),采煤工作面對應(yīng)位置垂直應(yīng)力開始下降,煤柱對應(yīng)位置垂直應(yīng)力明顯上升。當(dāng)A-A 截面滯后工作面35m 時(shí),A-A 截面上工作面對應(yīng)位置成為采空區(qū),垂直應(yīng)力急劇降低,工作面中心應(yīng)力為2.25MPa,右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力大幅度上升,其中煤柱最高應(yīng)力達(dá)到38.04MPa;當(dāng)滯后距離為65m 時(shí),A-A 截面上對應(yīng)的采空區(qū)垂直應(yīng)力上升,在112201 工作面中心應(yīng)力達(dá)到2.94MPa,這說明采空區(qū)冒落體正在經(jīng)歷應(yīng)變-硬化過程,右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力繼續(xù)上升;此后,這一趨勢一直持續(xù)到滯后距離大約125m,A-A 截面的垂直應(yīng)力基本穩(wěn)定下來,采空區(qū)最高應(yīng)力達(dá)到4.43MPa,大約相當(dāng)47.3%的原巖應(yīng)力水平,煤柱應(yīng)力達(dá)到20.6MPa,大約相當(dāng)220%的原巖應(yīng)力水平。

        圖5 15m 煤柱時(shí)A-A 截面處垂直應(yīng)力分布與工作面距離關(guān)系

        3.3 20m 煤柱時(shí)工作面回采過程中煤層中部垂直應(yīng)力分布

        圖6 所示為煤柱寬度20m 時(shí),112201 工作面回采過程中,A-A 截面處的垂直應(yīng)力變化過程。由圖可知1 當(dāng)距離為70m 時(shí),A-A 截面處已經(jīng)進(jìn)入112201工作面超前應(yīng)力影響范圍,但超前應(yīng)力值不高,僅超出原巖應(yīng)力2.84MPa 左右。當(dāng)距離為10m 時(shí),A-A 截面處超前應(yīng)力達(dá)到最大,超前應(yīng)力最大值為16.15MPa,超出原巖應(yīng)力約6.78MPa,最大值出現(xiàn)在距護(hù)巷煤柱左側(cè)約9m 位置。

        當(dāng)112201 工作面回采經(jīng)過A-A 截面時(shí),采煤工作面對應(yīng)位置垂直應(yīng)力開始下降,煤柱對應(yīng)位置垂直應(yīng)力明顯上升。當(dāng)A-A 截面滯后工作面35m 時(shí),A-A 截面上工作面對應(yīng)位置成為采空區(qū),垂直應(yīng)力急劇降低,工作面中心應(yīng)力為2.27MPa,右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力大幅度上升,其中煤柱最高應(yīng)力達(dá)到28.62MPa;當(dāng)滯后距離為65m 時(shí),A-A 截面上對應(yīng)的采空區(qū)垂直應(yīng)力上升,在112201 工作面中心應(yīng)力達(dá)到2.97MPa,這說明采空區(qū)冒落體正在經(jīng)歷應(yīng)變-硬化過程,右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力繼續(xù)上升;此后,這一趨勢一直持續(xù)到滯后距離大約155m,A-A 截面采空區(qū)最高應(yīng)力達(dá)到5.24MPa,大約相當(dāng)55.9%的原巖應(yīng)力水平,煤柱應(yīng)力達(dá)到35.14MPa,大約相當(dāng)375%的原巖應(yīng)力水平。

        圖6 20m 煤柱時(shí)A-A 截面處垂直應(yīng)力分布與工作面距離關(guān)系

        3.4 25m 煤柱時(shí)工作面回采過程中煤層中部垂直應(yīng)力分布

        圖7 所示為煤柱寬度25m 時(shí),112201 工作面回采過程中,A-A 截面處的垂直應(yīng)力變化過程。由圖可知當(dāng)距離為40m 時(shí),A-A 截面處已經(jīng)進(jìn)入112201 工作面超前應(yīng)力影響范圍,但超前應(yīng)力值不高,僅超出原巖應(yīng)力3.78MPa 左右。當(dāng)距離為10m 時(shí),A-A 截面處超前應(yīng)力達(dá)到最大,超前應(yīng)力最大值為15.66MPa,超出原巖應(yīng)力約6.29MPa,最大值出現(xiàn)在距護(hù)巷煤柱左側(cè)約9m 位置。

        當(dāng)112201 工作面回采經(jīng)過A-A 截面時(shí),采煤工作面對應(yīng)位置垂直應(yīng)力開始下降,煤柱對應(yīng)位置垂直應(yīng)力明顯上升。當(dāng)A-A 截面滯后工作面5m時(shí),A-A 截面上工作面對應(yīng)位置成為采空區(qū),垂直應(yīng)力急劇降低,工作面中心應(yīng)力為1.01MPa,右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力大幅度上升,其中煤柱最高應(yīng)力達(dá)到18.00MPa;當(dāng)滯后距離為35m 時(shí),A-A 截面上對應(yīng)的采空區(qū)垂直應(yīng)力上升,在112201 工作面中心應(yīng)力達(dá)到2.10MPa,這說明采空區(qū)冒落體正在經(jīng)歷應(yīng)變- 硬化過程,右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力繼續(xù)上升;此后,這一趨勢一直持續(xù)到滯后距離大約155mm,A-A 截面采空區(qū)最高應(yīng)力達(dá)到4.61MPa,大約相當(dāng)49.2%的原巖應(yīng)力水平,煤柱應(yīng)力達(dá)到34.24MPa,大約相當(dāng)365%的原巖應(yīng)力水平。

        圖7 25m 煤柱時(shí)A-A 截面處垂直應(yīng)力分布與工作面距離關(guān)系

        4 煤柱尺寸合理范圍

        對現(xiàn)場的條件進(jìn)行分析后,采用采礦工程設(shè)計(jì)手冊計(jì)算出的煤柱尺寸明顯偏大,通過采用安全系數(shù)法和極限平衡理論兩種思路分析護(hù)巷煤柱范圍為18.68~24.17m[6],同前文的數(shù)值模擬可以看出,我們分別模擬了15m 煤柱,20m 煤柱,25m 煤柱的應(yīng)力分布特點(diǎn),同時(shí)對應(yīng)各煤柱中的彈塑性區(qū)分布進(jìn)行了分析,可以看出,20m 煤柱時(shí),煤柱中間具有一定的彈性區(qū),具有一定的富裕支護(hù)強(qiáng)度,同時(shí)結(jié)合周圍礦井的開采實(shí)例,小保當(dāng)煤柱的運(yùn)輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進(jìn)行留設(shè)。

        需要指出的是,對于輔運(yùn)巷這種二次復(fù)用巷道普遍存在巷道底鼓問題,因此,在復(fù)用之前一般都要進(jìn)行起底處理[8]。另外,二次動壓巷道的穩(wěn)定性與煤柱尺寸和巷道的支護(hù)形式都密切相關(guān)。因此煤柱尺寸的優(yōu)化和二次動壓巷道支護(hù)技術(shù)的研究同等重要[7]。

        通過數(shù)值模擬分析,在隨著煤柱寬度增加,A-A煤柱區(qū)域應(yīng)力顯示降低趨勢,但20m 和25m 煤柱的應(yīng)力最大值相似,煤柱中間均出現(xiàn)彈性區(qū),具有一定的富裕支護(hù)強(qiáng)度[9],同時(shí)結(jié)合周圍礦井的開采實(shí)例和理論分析,綜合確定小保當(dāng)煤柱的運(yùn)輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進(jìn)行留設(shè)。

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