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        二疊系厚煤層綜放工作面合理區(qū)段及停采煤柱留設(shè)寬度研究

        2022-03-17 10:30:16張鄭偉
        同煤科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:煤柱區(qū)段側(cè)向

        張鄭偉

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003)

        關(guān)鍵字:厚煤層;綜放開采;區(qū)段煤柱;停采煤柱

        1 概述

        同發(fā)東周窯煤業(yè)目前主采二疊系山4#煤層,埋深約509 m,厚度約7.2 m,直接頂為炭質(zhì)泥巖,底板為粉砂巖。綜放開采時(shí)采高為3.2 m,放煤厚度4.01 m,采放比約為1:1.2。煤層本身厚度變異性大,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,且目前區(qū)段煤柱及停采煤柱留設(shè)不合理,導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不清楚,煤炭資源損失嚴(yán)重等問題。為解決上述問題,本文運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬的方法,在系統(tǒng)探究采空區(qū)側(cè)向支承壓力基礎(chǔ)上對(duì)沿空掘巷區(qū)段小煤柱的寬度及停采煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化[1-2]。

        2 區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度研究

        2.1 煤柱寬度留設(shè)的基本原則

        (1)將巷道布局于圍巖應(yīng)力較低的位置,以便于維護(hù)。

        (2)提升煤炭回采率,減少資源的損失。

        (3)隔離采空區(qū),避免漏風(fēng)發(fā)火。

        (4)圍巖變形程度不影響安全生產(chǎn)。

        (5)煤柱內(nèi)不能存在大的彈性變形區(qū),避免造成沖擊地壓。

        2.2 采空區(qū)側(cè)向支承壓力理論分析

        以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ),結(jié)合東周窯井田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,得出8103工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布規(guī)律,是小煤柱寬度選擇的重要依據(jù)。為便于研究,將煤巖體視作均質(zhì)彈塑性體,并滿足摩爾庫倫屈服定律,煤巖極限強(qiáng)度區(qū)域x=x1段符合式(1)中邊界條件,建立模型如圖1[3-4]。

        圖1 沿空掘巷實(shí)體煤幫力學(xué)模型

        式中,σx、σy分別代表x、y軸向應(yīng)力(MPa);σy1代表煤柱的極限強(qiáng)度(MPa),β代表側(cè)壓系數(shù),代表泊松比;α代表煤層傾角(°)。

        圖中M:煤層厚度,τxy:煤層與上下巖層的剪應(yīng)力,x1:巖體極限強(qiáng)度段寬度,Px:采空側(cè)支撐煤體的阻力,α:煤層傾角。

        根據(jù)他人研究成果[5-6],參考東周窯礦相關(guān)影響參數(shù),可計(jì)算側(cè)壓系數(shù)β分別為0.9和1.5時(shí)煤厚所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)范圍,見圖2。

        圖2 側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)范圍隨采厚變化圖

        據(jù)上圖,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)β=1.5,開采厚度依次為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)范圍是5.36 m,6.68 m,8.02 m,9.37 m,10.69 m;當(dāng)側(cè)壓系數(shù)β=0.9,不同開采厚度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)范圍是3.20 m,4.00 m,4.81 m,5.63 m,6.41 m。這說明隨著開采厚度的增加,側(cè)向壓力峰值會(huì)向?qū)嶓w煤內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移。8103 工作面實(shí)際采厚約6.62 m,經(jīng)計(jì)算可知應(yīng)力降低區(qū)范圍大約在5.32 m至8.87 m之間。

        2.3 合理煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬

        根據(jù)J27 柱狀圖,結(jié)合東周窯井田圍巖力學(xué)測(cè)試參數(shù),運(yùn)用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型,此模型共設(shè)置為12層,網(wǎng)格數(shù)45 500個(gè),模型的大小為500 m×200 m(X×Z),模型的兩側(cè)約束x方向的位移,前后側(cè)約束y方向的位移,上部施加載荷,上、下側(cè)共同約束z方向的位移。在8102 工作面采空區(qū)右側(cè)煤層頂部埋設(shè)一條監(jiān)測(cè)線,以此監(jiān)測(cè)側(cè)向支承壓力的分布情況。

        模擬初始開采8102 工作面,等開采穩(wěn)定后,垂直應(yīng)力云圖見圖3。

        圖3 垂直應(yīng)力分布云圖

        結(jié)果表明,待計(jì)算達(dá)到平衡以后,采空區(qū)兩端呈現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域,靠近采空區(qū)邊緣局部區(qū)域形成應(yīng)力降低區(qū),將巷道布局于此有利于減輕巷道圍巖受力環(huán)境,便于巷道維護(hù)。

        在采空區(qū)兩側(cè)一定距離出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,而在最靠近采空區(qū)邊緣的位置出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。將巷道盡可能的布置于應(yīng)力降低區(qū)域?qū)?huì)有效改善巷道的應(yīng)力環(huán)境。采空區(qū)穩(wěn)定后,側(cè)向支承應(yīng)力分布情況見圖4。

        圖4 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖

        據(jù)圖4 可知,山4#煤原巖應(yīng)力約11.9 MPa,而采空區(qū)穩(wěn)定后形成的應(yīng)力降低區(qū)域是8 m。形成的集中應(yīng)力峰值位于采空區(qū)端部14 m處,達(dá)到21.0 MPa。

        綜上所述,適合將小煤柱寬度設(shè)計(jì)為5.32 m~8 m范圍內(nèi)。下面將煤柱依次設(shè)計(jì)為6 m、7 m、8 m 時(shí),根據(jù)模型計(jì)算得出結(jié)果見圖5。

        圖5 不同寬度煤柱模擬示意圖

        不同寬度的煤柱,對(duì)巷道來說其變形與受力情況如表1和表2所示。

        表1 巷道變形量對(duì)比表

        表2 巷道圍巖應(yīng)力對(duì)比表

        據(jù)上表顯示:選擇6 m煤柱時(shí),巷道圍巖受力及變形情況顯著比選擇7 m 和8 m 寬度的煤柱時(shí)小一個(gè)數(shù)量級(jí),因此,最終選擇留設(shè)6 m寬度的煤柱。

        3 停采煤柱合理留設(shè)寬度研究

        3.1 工作面回采設(shè)備長(zhǎng)度的影響

        8103工作面從端頭支架、破碎機(jī)到皮帶機(jī)頭等總長(zhǎng)度130 m,而設(shè)備列車可以在輔運(yùn)巷中回撤,此處不做考慮。同時(shí)需要考慮一定的富??臻g,因而停采線與盤區(qū)膠帶巷的距離不小于140 m,此時(shí)煤壁中部與盤區(qū)回風(fēng)巷相距78 m。

        3.2 工作面超前支承壓力的影響

        利用數(shù)值模擬的方法,在前文模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算工作面超前支承壓力的分布規(guī)律,計(jì)算結(jié)果見圖6。

        圖6 工作面周圍塑性區(qū)位置圖

        由曲線知,在距煤壁18 m位置出現(xiàn)超前支承壓力峰值,高達(dá)27.7 MPa。超過煤壁50 m位置以后應(yīng)力大小趨于原巖應(yīng)力。由此可知受支承壓力影響的范圍在50 m之內(nèi)。

        3.3 工作面末采周期來壓的影響

        工作面的停采位置基本位于來壓時(shí)和來壓后。若位于來壓時(shí),如圖中停采位置1,此時(shí)基本頂沒有斷裂,工作面受到較強(qiáng)的壓力作用,如曲線2所示。若位于來壓后,如圖中停采位置2,此時(shí)的基本頂已經(jīng)破斷,工作面所受壓力較小,如曲線1 所示,此時(shí)對(duì)回撤工作十分有利。

        圖7 不同停采位置的應(yīng)力分布圖

        將停采線的位置根據(jù)周期來壓情況進(jìn)行調(diào)整,避免其對(duì)收尾撤架工作造成不利影響??紤]到設(shè)備長(zhǎng)度與模擬計(jì)算結(jié)果,選擇將停采線設(shè)置在距盤區(qū)巷道80 m 處。圖8 中L 是最后一次來壓位置與理論最佳停采位置的距離,L取0.4~0.6倍周期來壓步距時(shí),最有利撤架。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)末采實(shí)際周期來壓狀況,最終留設(shè)80 m停采煤柱。

        圖8 停采線位置與周期來壓關(guān)系示意圖

        4 結(jié)論

        (1)結(jié)合東周窯礦8103 工作面現(xiàn)場(chǎng)情況,通過理論基礎(chǔ)分析,8103 工作面?zhèn)认驊?yīng)力降低區(qū)范圍為5.32 m~8.87 m。

        (2)數(shù)值模擬顯示,8102 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)范圍為8 m。應(yīng)力峰值位于距離采空區(qū)邊緣14 m的位置,達(dá)到21.0 MPa。

        (3)綜合考慮東周窯礦5103 巷地質(zhì)條件、支護(hù)形式,結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果,將區(qū)段煤柱的合理寬度確定為6 m。

        (4)通過分析工作面回采設(shè)備長(zhǎng)度、超前支承壓力、末采周期來壓位置等因素對(duì)停采線位置選擇的影響,確定留設(shè)80 m停采煤柱能有效地實(shí)現(xiàn)工作面快速安全回撤。

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