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        特厚煤層沿空巷道煤柱留設(shè)寬度研究

        2023-03-10 11:18:00王志根蘇相賓郝鴻儒賈晉才
        煤炭與化工 2023年1期
        關(guān)鍵詞:煤柱塑性寬度

        王志根,蘇相賓,李 玥,郝鴻儒,賈晉才,陳 云

        (1.山陰金海洋南陽(yáng)坡煤業(yè)有限公司,山西 朔州 036999;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083)

        0 引 言

        近年來(lái),隨著我國(guó)開(kāi)采工藝的發(fā)展以及綜合機(jī)械化水平的提升,在特厚煤層沿空巷道留設(shè)煤柱,成為厚煤層及特厚煤層開(kāi)采的重要研究方向[1-2]。受各種不同地質(zhì)條件的影響,留設(shè)煤柱的寬度也不盡相同[3-4]。文獻(xiàn)[5]以王家?guī)X煤礦20103區(qū)段運(yùn)輸平巷為工程背景,通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析探討了在不同煤柱寬度下圍巖主應(yīng)力差、變形和破壞的演化規(guī)律,提出了合理煤柱寬度范圍,并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)和生產(chǎn)條件要求確定試驗(yàn)巷道最佳煤柱寬度。文獻(xiàn)[6]剖析了特厚煤層開(kāi)采在綜放作業(yè)面回采后的側(cè)向支承壓力分布特點(diǎn),為沿空掘進(jìn)巷道合理留設(shè)煤柱的寬度提出了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[7-11]通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、相似模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法,研究了沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度合理留設(shè)及巷道支護(hù)技術(shù)與參數(shù)。所以,確定合理的煤柱寬度以及合理的支護(hù)方案,對(duì)提高綜放沿空巷道圍巖穩(wěn)定性煤炭采出率具有重要意義[12-16]。

        本文以南陽(yáng)坡煤礦6104工作面運(yùn)輸順槽為工程背景,通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了在不同煤柱寬度下,煤柱的垂直應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征,進(jìn)而提出了合理的留設(shè)煤柱寬度以及相應(yīng)的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng),研究其控制機(jī)制,并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

        1 概 況

        6104工作面處于6號(hào)煤層,第二開(kāi)采水平,地面標(biāo)高+1 567.43—+1 613.206 m,采區(qū)標(biāo)高+1 319.13—+1 338.91 m,位于山西省山陰縣西北部馬營(yíng)鄉(xiāng)山峽村北側(cè),6104回風(fēng)平巷掘進(jìn)時(shí)對(duì)地面無(wú)影響,走向長(zhǎng)度1 620 m,傾向長(zhǎng)度300 m,面積486 000 m2。工作面布置如圖1所示。

        圖1 61 04工作面位置示意Fig.1 Location of No.6104 Face

        6104工作面煤層賦存穩(wěn)定,厚度在13.2~13.8 m,平均厚度13.5 m,為特厚煤層。煤層傾角2°~4.5°,平均3.3°,屬較穩(wěn)定煤層,平均埋深270 m。

        2 煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

        根據(jù)南陽(yáng)坡煤礦6104工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件,構(gòu)建了FLAC3D數(shù)值模擬模型。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=200 m×110 m×53 m,共分為178 740個(gè)單元體、188 910個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2所示。模擬6號(hào)煤層厚度13.5 m,6104工作面沿空巷道為矩形斷面,凈寬×凈高=5 000 mm×3 500 mm;x軸方向?yàn)楣ぷ髅鎯A向,y軸方向?yàn)楣ぷ髅嫱七M(jìn)方向,垂直方向?yàn)閦軸方向;四周和底部均使用固支,上部施加5 MPa的自重載荷,并設(shè)定側(cè)壓系數(shù)為1.2,采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,應(yīng)變模式采用大變形模式。

        圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

        圍巖塑性區(qū)的分布特征是評(píng)價(jià)和分析巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素,通過(guò)FLAC3D研究在不同寬度煤柱下圍巖的塑性區(qū)分布,以確定合理的煤柱寬度。圖3分別為煤柱寬度為5、10、15、20、25、30 m時(shí),圍巖的塑性區(qū)分布圖。

        圖3 不同煤柱尺寸下圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic areas distribution of surrounding rock under different sizes of coal columns

        煤柱寬度在5~15 m時(shí),巷道底板圍巖塑性區(qū)分布隨煤柱寬度的改變而更加復(fù)雜,其塑性區(qū)綜合作用范圍為底板下方5 m左右,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)完全貫通,不存在彈性核區(qū)域。

        煤柱寬度為20 m時(shí),出現(xiàn)彈性核區(qū),平均為7 m,但煤柱的整體變形不大,且處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        當(dāng)煤柱寬度在25~30 m時(shí),受采動(dòng)影響,但煤柱的塑性區(qū)范圍較小,靠近6106工作面采空區(qū)的煤柱整體變形不大,此時(shí)煤柱內(nèi)存在彈性核區(qū)域,且寬度較大,在12~20 m,處于穩(wěn)定狀態(tài),但浪費(fèi)資源現(xiàn)象較嚴(yán)重。

        不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布如圖4所示。

        圖4 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress distribution under different widths of coal columns

        由圖4可知,對(duì)6104回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間巷道圍巖垂直應(yīng)力分布分析可以看出如下內(nèi)容。

        (1)煤柱寬度對(duì)巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力變化沒(méi)有明顯影響,巷道頂?shù)装寰幱趹?yīng)力降低區(qū)域,其應(yīng)力狀態(tài)基本不隨煤柱寬度的變化而變化。

        (2)在實(shí)體煤側(cè)都有應(yīng)力集聚現(xiàn)象,隨著煤柱寬度的增大,煤柱側(cè)應(yīng)力集中程度增強(qiáng),而實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中程度則在下降。

        (3)當(dāng)煤柱寬度為5~15 m時(shí),煤柱上部區(qū)域的垂直應(yīng)力數(shù)值無(wú)明顯變化,中部區(qū)域垂直應(yīng)力集中程度增大,說(shuō)明煤柱破壞程度在減少,煤柱慢慢趨于穩(wěn)定,但仍處于破壞狀態(tài)。

        (4)在煤柱寬度為20~30 m時(shí),煤柱中部的應(yīng)力峰值在不斷升高,且集中范圍也隨之變大,但其峰值都小于靠近順槽煤柱幫圍巖的應(yīng)力值,煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。采空區(qū)附近的垂直應(yīng)力變動(dòng)不大。

        不同煤柱尺寸垂直應(yīng)力曲線如圖5所示。

        圖5 不同煤柱尺寸垂直應(yīng)力曲線Fig.5 Vertical stress curves under different sizes of coal columns

        (1)當(dāng)煤柱寬度為5~15 m時(shí),煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈單峰值拋物線分布狀態(tài),峰值中心不在煤柱中心,而是靠近巷道煤柱幫,且隨著煤柱尺寸增加,峰值大小隨著煤柱尺寸的增大由5 m煤柱的7.68 MPa到15 m煤柱的19.3 MPa。

        (2)當(dāng)煤柱寬度由20 m增至30 m時(shí),垂直應(yīng)力曲線呈梯形分布,出現(xiàn)雙峰值,且隨煤柱尺寸變大,右部峰值有所減少,20 m煤柱時(shí)峰值19.2 MPa減小至30 m煤柱峰值16.4 MPa。峰值處隨煤柱尺寸變化逐漸向采空區(qū)移動(dòng),且數(shù)值由25 m寬度的14.1 MPa降低到30 m寬度的13.8 MPa,降低幅度不大。

        3 支護(hù)控制及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

        根據(jù)上述數(shù)值模擬分析計(jì)算煤柱合理留設(shè)寬度為20 m,結(jié)合6104工作面回風(fēng)順槽情況,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式控制圍巖變形,如圖6所示。

        頂板錨索使用規(guī)格為17.8 mm×8 000 mm的鋼絞線錨索,間排距為1 800 mm×2 000 mm。錨桿選用20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距為1 000 mm×1 000 mm。頂板采用8號(hào)鐵絲菱形金屬網(wǎng),規(guī)格為1200 mm×5 400 mm,網(wǎng)格80 mm×80 mm。

        實(shí)體煤幫與煤柱幫支護(hù)相同,選用18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm,上部錨桿距頂板550 mm,底部錨桿距底板550 mm。兩幫均采用8號(hào)鐵絲菱形金屬網(wǎng),1 500 mm×5 000 mm,網(wǎng)格80 mm×80 mm。

        巷道圍巖表面位移觀測(cè)曲線如圖7所示。

        圖7 巷道圍巖表面位移觀測(cè)曲線Fig.7 Surface displacement observation curve of roadway surrounding rock

        由圖7分析可得,在巷道掘進(jìn)后20 d范圍內(nèi),圍巖變形較為劇烈,在35 d后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道兩幫移進(jìn)量為138 mm,頂?shù)装逡七M(jìn)量為178 mm。

        4 結(jié) 論

        (1)煤柱寬度在5~15 m時(shí),煤柱兩側(cè)塑性區(qū)完全貫通,不存在彈性核區(qū)域。當(dāng)煤柱寬度較大,在20~30 m時(shí),煤柱內(nèi)有彈性核區(qū)域。

        (2)煤柱的垂直應(yīng)力在護(hù)巷煤柱寬度為20~30 m時(shí),煤柱底板處靠近6106工作面采空區(qū)區(qū)域應(yīng)力峰值明顯高于靠近6104工作面回風(fēng)巷側(cè)的應(yīng)力。

        (3)煤柱寬度由20 m增至30 m時(shí),垂直應(yīng)力曲線呈梯形分布,出現(xiàn)雙峰值。

        (4)經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算,綜合分析確定護(hù)巷煤柱寬度為20 m。

        (5)結(jié)合6104工作面運(yùn)輸順槽實(shí)際情況,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式來(lái)控制圍巖的變形。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,該支護(hù)技術(shù)安全有效。

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