衡 多王鹏翔马文强江姣姣

(1.河南永锦能源有限公司,河南省禹州市,461670; 2.山东科技大学矿业与安全工程学院,山东省青岛市,266590; 3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京市海淀区,100083)

大倾角煤层沿空掘巷煤柱留设尺寸探究与应用

衡 多1王鹏翔1马文强2江姣姣3

(1.河南永锦能源有限公司,河南省禹州市,461670; 2.山东科技大学矿业与安全工程学院,山东省青岛市,266590; 3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京市海淀区,100083)

为确定大倾角煤层沿空掘巷预留小煤柱合理宽度,通过理论计算对护巷煤柱宽度进行了分析;运用UDEC模拟软件对不同煤柱宽度下巷道的变形量和煤柱应力进行了数值模拟。结果表明:理论计算的煤柱合理宽度应为5 m;综合数值模拟中煤层顶板支承压力分布、巷道变形量和煤柱应力集中情况选取煤柱宽度为5 m,与理论计算相符;将所得结果应用于21071工作面回风巷的掘进,即留设5 m煤柱沿空掘进巷道,回采期巷道变形量能满足矿井正常生产需求,无需返修。

大倾角煤层 开采工作面 沿空掘巷 煤柱宽度 数值模拟

国内许多学者已对近水平及缓斜煤层开采沿空掘巷煤柱尺寸做了大量研究,通过经验估算、理论计算、数值模拟等方法得出了各矿区工作面沿空掘巷合理的护巷煤柱宽度。而大倾角工作面沿空掘巷合理煤柱宽度确定方面的研究较少,本文旨在对大倾角三软煤层综采工作面沿空掘巷合理煤柱宽度留设进行研究,选用离散元UDEC软件从而能对掘巷一侧采空区矸石的冒落、压实和稳定进行较好地模拟,进而确定煤柱留设宽度,并针对最佳设计宽度进行现场试验,深化对小煤柱沿空掘巷的认识。

1 工程概况

富山煤业矿井21051工作面开采二1煤层,工作面走向40°～70°,倾向130°～160°,工作面走向长458 m,倾向长110 m,采面上限标高＋40 m,地面标高＋340～＋382 m。该面将在短期内回采结束,为保证工作面正常接替,在21051工作面采空区边缘留小煤柱沿空掘进21071工作面回风巷。二1煤层均厚4.0 m,煤层倾角平均36°,煤层结构简单。

2 护巷煤柱宽度的理论计算

沿空掘巷沿邻近区段采空区边缘布置,见图1。由于在采空区边缘煤体弹性应力高峰采空区侧存在一个相对低应力状态的峰后煤体,即煤体内的破裂区和塑性区,图1中Ⅰ、Ⅱ区域,若在其中布置巷道支护载荷相对较小,X1为采空区侧煤体中的塑性区宽度;X3为巷道打入窄煤柱帮锚杆有效支护长度,考虑到锚杆钻孔的方向、深度偏差和有效锚固长度,长度取1.6 m;X2为考虑煤层较厚而增加的煤柱安全宽度,取(X1＋X3)的10%计算。

图1 沿空掘巷煤柱留设示意图

参照相关文献,采空区侧煤体塑性区宽度X1计算如下:

式中:m——煤层采厚,取4.0 m;

A——侧压系数,取0.43;

μ——泊松比,取0.3;

φ——煤层内摩擦角,取32°;

C——煤层界面粘聚力,取3 MPa;

K——应力集中系数,取2.0;

γ——岩层平均容重,取24 k N/m3;

H——巷道埋深,取400 m;

P——支架对煤帮的支护阻力,取0 MPa。

根据以上条件进行计算,得到采空区侧煤体塑性区宽度X1为3.0 m,巷道窄煤柱帮锚杆有效支护长度X3为1.6 m,考虑煤层较厚增加的煤柱安全宽度X2为0.46 m,护巷煤柱宽度B为5.06 m (X1＋X2＋X3)。

3 护巷煤柱宽度的数值模拟

3.1 模型的建立及监测线的布置

采用离散元软件UDEC4.0进行模拟分析,离散元软件所建立的矿山数值模型在煤层开采后上覆顶板能垮落并充填采空区,因此该软件能够较好地模拟采空区顶板的冒落弯曲和老顶的触矸压实作用。根据21051工作面的地质资料,充分考虑煤层倾角对模型的影响,以综采工作面倾向剖面为现场模型建立起沿空掘巷数值模型,模型各岩层力学参数见表1。

表1 各岩层力学参数

由于模型尺寸过大,只取沿空掘巷部分,如图2所示。模型尺寸为150 m×120 m(宽×高),左右边界水平方向固定,底边界垂直固定,顶部施加7 MPa的垂直方向均布载荷,模拟上覆岩层重力;模拟21051工作面长度80 m,巷道断面为梯形,护巷煤柱宽度分别为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m,通过模拟不同煤柱宽度条件下的巷道变形情况来选取合适的煤柱宽度。在实体煤侧煤层与直接顶接触面布设一条观测线,见图2,用来监测顶板支承压力分布情况;巷道顶底板和两帮各布设一条观测线,用来监测巷道变形量;在煤柱纵、横中轴各布置一条观测线,用来监测煤柱中的应力变化。

图2 护巷煤柱宽度数值模型

3.2 模型中工作面回采和巷道掘进的模拟

数值模型初始平衡后,在待开挖煤层中开切眼,沿推进方向开挖21051工作面煤层,煤层开挖后直接顶及部分老顶垮落至采空区,剩余老顶及上覆岩层弯曲下沉触矸,待顶板岩层冒落带及垮落带运动趋于稳定后,开始巷道的挖掘,监测巷道开挖后的变形量。

3.2.1 实体煤侧煤层顶板支承压力分布

待工作面煤体挖出,采空区顶板岩层冒落及弯曲下沉触矸稳定后,将监测实体煤层顶板的支承压力数据输出,整理得出煤层顶板支承压力分布情况,如图3所示。

图3 实体煤侧煤层顶板支承压力分布

图3显示,采空区顶板运动稳定后,在实体煤一侧煤层顶板有8m左右的应力降低区,若在此范围内布置巷道,则支护载荷相对较小。

3.2.2 不同煤柱宽度下巷道变形量

在巷道顶底板和两帮分别布置10个变形监测点,监测点编号及位置见图4,对煤柱宽度分别为2 m、3 m、4 m、5 m、6 m的5个模型进行模拟运算后,通过监测点输出巷道开挖后顶底板和两帮的位移量,做出不同煤柱宽度下的巷道变形折线图,如图5所示。

图4 巷道断面变形监测点位置及编号

图5 不同煤柱宽度的巷道变形量

图5(a)显示,煤柱宽度为3～6 m时,巷道顶板变形量相差不大,较煤柱宽度为2 m时变形量小。

图5(b)显示,煤柱宽度为2 m时,巷道底板变形量最小,其他煤柱宽度条件下变形量相差不大,但煤柱宽度为5～6 m时,底鼓量相对较小。

图5(c)显示,煤柱宽度为3 m、4 m和6 m时实体煤侧巷帮变形量较大,煤柱宽度为2 m和5 m时实体煤侧巷帮变形量较小。

图5(d)显示,煤柱宽度为3 m和4 m时窄煤柱侧巷帮变形量较大,煤柱宽度为5 m和6 m时变形量平均为13 cm,煤柱宽度为2 m时窄煤柱侧巷帮变形量最小。

分析可知,巷道顶板变形量从实体煤侧往窄煤柱侧呈减小趋势,底板鼓起量呈增加趋势;而巷道两帮变形量从底往顶呈增加趋势,且巷道两帮水平位移均指向窄煤柱一侧。

3.2.3 不同煤柱宽度下煤柱中应力分布

根据布设在煤柱里的两条煤柱应力监测线(图2中1＃和2＃监测线),得到不同宽度煤柱中的应力分布规律,如图6所示。

图6 煤柱中应力分布

由煤层埋藏条件计算得巷道位置垂直应力为9～10 MPa,由图6可见,巷道开挖后煤柱上出现应力集中,煤柱宽度为5 m和6 m时应力集中系数为1.4和1.3,此时煤柱上承受的应力相对较小。

3.3 数值模拟结果分析

由不同宽度煤柱条件下的数值模拟结果可知, 21051工作面采空区顶板运移稳定后,实体煤一侧煤层存在范围约为8 m的应力降低区;综合巷道变形量结果可知,煤柱宽度为5 m时,巷道顶底板及两帮变形量相对较小;综合煤柱应力监测结果可知,煤柱宽度为5 m和6 m时,应力集中程度相对较小;由以上分析可知,煤柱宽度为5 m时,在应力降低区靠近煤柱布置沿空巷道,巷道变形量较小,煤柱应力集中系数较小,易于对巷道进行支护,保护巷道的长期稳定。

4 工业性试验

4.1 巷道支护断面及材料参数

将数值模拟得到的结果用于21071工作面回风巷,即在21051工作面采空区边缘留设5 m煤柱沿空掘进21071工作面回风巷。回风巷采用工字钢对棚支护,工字钢支护断面布置如图7所示。

图7 巷道工字钢支护断面

支护材料规格及参数如下:

工字钢为矿用11＃工字钢,梁长2900 mm,腿长2800 mm;背木为长700 mm,直径40～50 mm的圆木;半圆木由长600 mm,直径不小于120 mm的圆木纵刨而成;撑杆为专用方木,规格40 mm×40 mm×600 mm;荆笆规格为650 mm× 450 mm;塑编网片规格为2500 mm×650 mm,网孔规格为35 mm×35 mm;木靴长200 mm,宽200 mm,厚100 mm;耳寨长230 mm,宽150 mm,厚300～400 mm。

4.2 回采期间巷道表面位移观测结果

21071工作面回采期间,在回风巷中距工作面120 m处布置第一组巷道顶底板及两帮移近量测站,沿巷道远离工作面方向间隔5 m再布设一组测站,对回风巷顶底板及两帮移近量进行观测,并对观测数据进行了统计、整理和分析,绘出了回风巷表面位移与距工作面煤壁距离关系图,如图8所示。由图8可知,在距工作面煤壁0～25 m范围内,顶底板移近量较大,均在50 mm以上,最大值为155 mm;在距工作面煤壁0～20 m范围内,巷道两帮移近量均在35 mm以上,最大的65 mm。巷道在回采期间的变形量能满足矿井正常生产要求,不需要返修。

图8 工作面回采时的巷道表面位移量

5 结论

(1)当煤层工作面回采完毕时,沿该工作面稳定采空区边缘存在应力卸载带,在此范围内留设小煤柱沿空掘巷较为合适;在该矿地质赋存条件下,卸载带宽度为8 m左右。

(2)大倾角煤层预留小煤柱沿空掘巷时,梯形巷道顶板变形量由实体煤侧向窄煤柱侧逐渐减小,而底板变形量则相反,靠近实体煤部分底板变形量很小,靠近窄煤柱侧变形量较大;巷道两帮变形量由底板向顶板逐渐增大。综合分析不同煤柱宽度下巷道变形情况,确定煤柱宽度为5 m,与理论计算相符。

(4)该矿大倾角煤层沿空掘巷预留小煤柱宽度为5 m时,掘进时巷道顶底板及两帮变形量相对较小,煤柱有应力集中现象,但不明显;回采期间巷道变形量能满足矿井正常生产要求,无需返修。

[1] 高浩,崔廷峰,张魁等.留小煤柱沿空掘巷技术[J].煤矿安全,2012(4)

[2] 于洋,柏建彪,陈科等.综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用[J].煤炭工程,2010 (7)

[3] 桑立柱,秦帅.沿空掘巷中煤柱留设宽度的研究[J].中州煤炭,2013(3)

[4] 申志平.沿空掘巷煤柱宽度与支护参数的研究与应用[J].煤炭科学技术,2010(7)

[5] 秦永洋,许少东,杨张杰.深井沿空掘巷煤柱合理宽度确定及支护参数优化[J].煤炭科学技术, 2010(2)

[6] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003

[7] 郑西贵,姚志刚,张农.掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分布研究[J].采矿与安全工程学报,2012 (4)

[8] 杨宝贵,王俊涛,宋晓波等.王庄煤矿综放工作面小煤柱宽度优化分析[J].中国煤炭,2012(10)

[9] 何富连,吴焕凯,李通达等.深井沿空掘巷围岩主应力差规律与支护技术[J].中国煤炭,2014(3)

[10] 张科学.深部煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定[J].煤炭学报,2011(1)

(责任编辑 张毅玲)

国家发改委:“一带一路”应基建优先

“‘一带一路’战略构想,其内涵之一就是打造现代版的互联互通。”国家发改委副主任何立峰日前表示,互联互通应该是基础设施、制度规章、人员交流三位一体。其中,基础设施是基础,也是目前制约沿线国家深化合作的薄弱环节,应作为“一带一路”的优先领域。

他强调,一方面应把交通基础设施互联互通作为突破口,另一方面是能源基础设施应谋求输油输气管道等运输通道排阻,推进跨境输电通道、跨境光缆的建设。

谈及“一带一路”推进过程中如何落实与沿线国家商签自贸协定的部署,商务部部长高虎城表示,“一带一路”战略倡议中的一个重要内容就是以周边为依托,推动建设高标准的自贸区网络,推动贸易的便利化和投资自由化,创造更好的制度安排和政策环境。

Research and application of the coal pillar size of gob-side entry driving in deeply inclined coal seam

Heng Duo1,Wang Pengxiang1,Ma Wenqiang2,Jiang Jiaojiao3
(1.Henan Yongjin Energy Co.,Ltd.,Yuzhou,Henan 461670,China; 2.College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China; 3.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

To ascertain the reasonable width of coal pillar of gob-side entry driving in deeply inclined coal seam,theoretical calculation was applied to analyze the width of the protection coal pillar;the deformation of roadway and the stress on coal pillar under the conditions of different pillar width were simulated by UDEC and the results showed that the reasonable width of coal pillar through theoretical calculating was supposed to be 5 meters.According to the support pressure distribution,deformation of roadway and the condition of coal pillar stress concentration in comprehensive numerical simulation,the pillar width was 5 meters,which conformed to the theoretical calculation.Applying the results to the return airway of 21071 working face,the deformation of roadway could meet the requirement of the regular production of the mine without repair during the mining period.

deeply inclined coal seam,mining face,gob-side entry driving,coal pillar width,numerical simulation

TD 325

A

衡多(1989－),男,河南西平人,助理工程师,本科学历,现于河南省禹州市永锦能源有限公司生产技术部从事煤矿生产工作。