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        12003工作面護巷煤柱留設寬度的探討與實踐

        2021-10-14 06:42:40姚國輝
        山東煤炭科技 2021年9期

        姚國輝

        (河南能源貴州興安煤業(yè)有限公司糯東煤礦,貴州 黔西南 561504)

        護巷煤柱的寬度與回采巷道支護、維護成本、安全生產(chǎn)以及煤炭回收率密切相關,正確選擇煤柱寬度,對保證巷道穩(wěn)定至關重要。目前,我國部分煤礦依靠經(jīng)驗來確定煤柱留設寬度,缺乏科學性和針對性,往往不是浪費煤炭資源,就是在掘進回采過程中巷道難以維護[1]。因此,如何合理、科學確定護巷煤柱,對煤礦安全高效生產(chǎn)意義重大。文章以興義煤田糯東煤礦12003回風巷沿空掘巷為工程背景,確定興義煤田護巷煤柱留設寬度,對類似巷道煤柱留設具有指導意義。

        1 概況

        糯東井田位于貴州省普安縣南部,主要可采煤層四層,分別為17、19、20、26號煤層,平均厚度分別為4.3 m、2.04 m、1.99 m、2.81 m。糯東井田屬煤與瓦斯突出礦井,各煤層煤塵均不具有爆炸危險性。12003工作面位于礦井一采區(qū)北翼20號煤層,開采深度498 m。工作面左側(cè)為12001采空區(qū),工作面上覆為11705、11703采空區(qū)及11705底抽巷,煤層厚度3.5 m,平均傾角6°。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖,平均厚度2.0 m;基本頂為粉砂巖,平均厚度7.4 m;直接底為粉砂質(zhì)泥巖,平均厚度11.1 m;基本底為細砂巖,平均厚度2.8 m。

        2 煤柱合理留設寬度理論分析

        巷道掘進后,煤柱上覆巖層應力將重新分布,煤柱內(nèi)部一定范圍內(nèi)形成支承壓力區(qū)域。在上覆巖層應力作用下,煤柱邊緣一定范圍內(nèi)的煤體已產(chǎn)生破壞[2]。煤柱邊緣處支承壓力為零,支承壓力隨煤柱內(nèi)部深度增加也慢慢增大,最終達到支承壓力峰值,如圖1所示。從煤柱邊緣到應力峰值這一區(qū)域,煤巖體應力已超過了屈服點,形成煤柱的屈服區(qū),如圖1中r范圍所示。屈服區(qū)范圍內(nèi)的煤柱煤體由于已處于屈服狀態(tài),煤體無法對上覆巖層形成有效支撐。屈服區(qū)內(nèi)側(cè)的煤巖體所受的應力在屈服點以下,變形較小,處于彈性變形狀態(tài)。這個區(qū)域被屈服區(qū)所包圍,并受屈服區(qū)的約束,稱為煤柱核區(qū)或彈性核區(qū)。煤柱核區(qū)作為煤柱的主要承載區(qū)域,能有效對上覆巖層形成承載作用[3]。因此,若要保證煤柱煤體的穩(wěn)定,必須保證煤柱內(nèi)有合理寬度的彈性核區(qū)。

        圖1 煤柱受力分析圖

        合理煤柱的留設寬度是煤柱兩側(cè)極限平衡區(qū)寬度和中心彈性區(qū)煤體的臨界尺寸之和,每側(cè)極限平衡區(qū)的大小與該側(cè)的采動情況密切相關。合理的最小煤柱寬度B為:

        式中:X1為上區(qū)段工作面開采后在煤體邊緣形成的塑性區(qū)寬度;X2為巷道開挖后在煤柱側(cè)形成的塑性區(qū)寬度;X3為煤柱內(nèi)部的穩(wěn)定核區(qū),根據(jù)煤柱穩(wěn)定的基本條件可取X1+X2的20%~30%。

        (1)根據(jù)極限平衡理論,可根據(jù)式(2)得出采空區(qū)側(cè)煤柱的塑性區(qū)范圍。

        式中:M為區(qū)段平巷高度,m;ε為三軸應力系數(shù),ε=(1+sinφ)/(1-sinφ);φ為煤體內(nèi)摩擦角;K為應力集中系數(shù);γ為巖層平均密度,t/m3;H為巷道埋深,m;C為煤體黏聚力,0.45~0.75 MPa;P為上區(qū)段平巷支架對下幫的支護阻力(在采空區(qū)側(cè)取0),kN/m。f為護巷煤柱與煤層頂?shù)装褰佑|摩擦系數(shù),一般取值為0.125。

        (2)沿空掘巷,巷道開挖后巷道側(cè)圍巖在應力重分布情況下產(chǎn)生塑性變形。運用極限平衡理論,在各向等壓條件下,圓形巷道圍巖塑性區(qū)半徑Rp的計算公式為:

        式中:Ro為圓形巷道半徑(方形巷道可取寬的1/2);P為上覆巖層壓力,P=KγH;γ為上覆巖層的平均容重;pi為支護作用力,取0.5 MPa。

        則X2=RP-R0。

        (3)X3為煤柱內(nèi)部的穩(wěn)定核區(qū),按最不利原則,取X1+X2的30%。

        20煤底板標高1140~1425 m,埋深約451~650 m。目前12003回風順槽埋深約為498 m。對于20#煤,巷道斷面寬5 m,則Ro=2.5 m,采高M=2.0 m,φ=28°,γ=2.5 t/m3,H=498 m,C=0.75 MPa。由此求出極限平衡區(qū)寬度為:X1=2.08 m。隨著不同的應力集中系數(shù)變化,巷道煤柱的合理留設寬度以及巷道側(cè)的塑性區(qū)寬度如圖2。

        圖2 巷道煤柱的合理留設寬度

        由圖2可知當應力集中系數(shù)為1時,即當巷道處于原巖應力條件下時,巷道側(cè)塑性區(qū)的發(fā)育寬度為2.8 m,合理的煤柱留設寬度為9.11 m;而當應力集中系數(shù)在2~2.5時,巷道側(cè)塑性區(qū)的發(fā)育寬度為5.2~6.2 m,合理的煤柱留設寬度為15~17 m。當應力集中系數(shù)在3~3.5時,合理的煤柱留設寬度為20~25 m。因此,在采動影響下區(qū)段煤柱的合理寬度應至少為20 m。

        3 煤柱合理留設寬度數(shù)值分析

        根據(jù)糯東煤礦的實際地質(zhì)情況,采用UDEC建立沿空掘巷數(shù)值模型,對煤柱留設寬度分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m以及30 m的情況下的煤柱變形情況以及采動應力分布情況進行考察。煤巖體力學參數(shù)取值見表1。

        表1 巖體力學參數(shù)表

        3.1 煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況

        沿空巷道在不同煤柱寬度下塑性區(qū)發(fā)育情況如圖3。圖中黑色表示塊體處于屈服狀態(tài),灰色表示塊體在計算過程中曾進入過塑性區(qū),可以忽略。

        由圖3(a)~(c)可知當區(qū)段煤柱在5~15 m時,區(qū)段煤柱內(nèi)無彈性核區(qū),無法有效承載上覆巖層重量,導致煤柱幾乎全部處于屈服狀態(tài),此時,煤柱在上覆巖層的重力作用下圍巖煤壁向巷道內(nèi)部鼓出。同時,由于煤柱承載能力不足,使得頂板巖層下沉變形較為嚴重。

        由圖3(d)~(f)可知當區(qū)段煤柱寬度達到20~30 m時,區(qū)段煤柱內(nèi)彈性核區(qū)范圍慢慢變大,說明煤柱對上覆巖層的承載能力逐漸增強,尤其是當煤柱寬度達到25~30 m時,如圖3(e)、(f),區(qū)段煤柱內(nèi)出現(xiàn)了大面積的彈性核區(qū),能夠有效地對上覆巖層形成支撐作用。

        圖3 不同區(qū)段煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況

        3.2 不同煤柱留設寬度采動應力分布

        為監(jiān)測不同煤柱留設寬度下采動應力分布情況,在模型的煤層中布置有測線,在計算完成后輸出測線的采動應力分布狀態(tài)如圖4。

        圖4 不同區(qū)段煤柱寬度下采動應力分布情況

        由圖4(a)~(c)可知當區(qū)段煤柱在5~15 m時,區(qū)段煤柱內(nèi)由于無彈性核區(qū),導致煤柱內(nèi)部采動應力集中呈急劇增加的三角形形狀,且當煤柱留設寬度為5~10 m時可以看出其內(nèi)部應力集中峰值存在波動情況,如圖4(a)~(b)所示,說明此時煤柱狀態(tài)為不穩(wěn)定狀態(tài),從而導致了煤柱內(nèi)部應力峰值出現(xiàn)波動。隨著留設煤柱寬度的增加,煤柱內(nèi)部應力集中狀態(tài)慢慢趨于平緩,如圖4(c)~(d)所示。當煤柱留設寬度達到25~30 m時,煤柱內(nèi)部應力集中狀態(tài)不再呈三角形狀態(tài),而是呈現(xiàn)梯形狀態(tài),說明此時區(qū)段內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)有明顯承載作用的彈性核區(qū),此時煤柱留設寬度較為合理。

        4 應用效果

        根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結果,確定12003回風巷護巷煤柱留設寬度為30 m,采用錨網(wǎng)索+M鋼帶聯(lián)合支護。錨桿采用Ф22 mm×2500 mm高強滾絲錨桿,頂部采用Ф21.8 mm×8200 mm鋼絞線,幫部采用中Ф21.8 mm×4200 mm鋼絞線,錨索配合δ16-300×300 mm錨索托盤支護。每50 m設置一個監(jiān)測斷面,監(jiān)測顯示距巷道迎頭40 m范圍內(nèi)巷道位移變化量最大,每天平均變形速率50 mm/d,150 m后趨于平穩(wěn),每天平均變形速率5 mm/d。至巷道掘進完成,沿空幫最大移近量236 mm,實體幫最大移近量176 mm,頂板最大下沉量69 mm,底鼓量最大226 mm,能夠滿足生產(chǎn)需要。

        5結論

        采用理論分析與數(shù)值分析相結合的方法對糯東煤礦12003回風順槽的沿空掘巷煤柱留設寬度進行了分析,主要得到以下結論:

        (1)若要保證煤柱煤體的穩(wěn)定,必須保證煤柱內(nèi)有合理寬度的彈性核區(qū)。

        (2)根據(jù)糯東煤礦12003回風順槽實際地質(zhì)情況,當煤柱留設寬度達到25~30 m時,煤柱內(nèi)部應力集中狀態(tài)不再呈三角形狀態(tài),而是呈現(xiàn)梯形狀態(tài),說明此時區(qū)段內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)有明顯承載作用的彈性核區(qū),此時煤柱留設寬度較為合理;當煤柱留設寬度15~25 m時,需對煤柱進行及時加強支護,方能保證煤柱穩(wěn)定;而當煤柱留設寬度小于15 m時,煤柱幾乎不能保持穩(wěn)定。

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