缓倾斜煤层斜梯形巷道沿空煤柱宽度及围岩控制研究.pdf
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1、3255(8):32-38.引用格式:般帅峰,康庆涛,郑鑫健,等缓倾斜煤层斜梯形巷道沿空煤柱宽度及围岩控制研究J.煤炭工程,2 0 2 3,Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308007缓倾斜煤层斜梯形巷道沿空煤柱宽度及围岩控制研究殷帅峰,康庆涛,郑鑫健,张效铭(华北科技学院安全工程学院,北京101601)摘要:为探究缓倾斜煤层斜梯形沿空巷道煤柱留设尺寸合理值和留巷围岩控制技术,以任楼煤矿7,510 N工作面为工程背景,应用考虑煤层倾角的内外应力场理论、数值模拟和现场试验展开研究。理论计算确定7,510 N工作面内应力
2、场的宽度为13.4 m,煤柱尺寸合理值应不大于8.4 m,结合模拟计算结果确定煤柱尺寸合理值为7 m。在分析控制缓倾斜煤层斜梯形沿空掘巷围岩变形难点的基础上,结合研究结果,提出采用非对称支护对围岩进行控制,支护方式为“高强锚杆+顶板高强长锚索+煤柱帮斜拉锚索+锚网”,并在现场进行了应用。现场试验结果表明,煤柱留设尺寸7m及采用非对称支护技术沿空巷道围岩大变形可得到有效控制,实测顶板右中、顶板左中、煤柱、实体煤和底板测点在掘进期间观测最大位移量分别为12 1,10 5,96,90,8 2 mm,回采期间观测最大位移量分别为38 9,36 3,34 6,335,32 5mm,满足了现场生产需求。关
3、键词:缓倾斜煤层;沿空巷道;煤柱尺寸;非对称支护;现场应用中图分类号:TD322文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 0 32-0 7Study on coal pillar width and surrounding rock control of inclinedtrapezoidal roadway in gently inclined coal seamYIN Shuaifeng,KANG Qingtao,ZHENG Xinjian,ZHANG Xiaoming(School of Safety Engineering,North China U
4、niversity of Science and Technology,Beijing 101601,China)Abstract:To explore the reasonable size of inclined trapezoidal gob side entry pillar in gently inclined coal seams and thecontrol technology of roadway surrounding rock,taking the 72510N working face as the engineering background,the internal
5、and external stress field theory,numerical simulation and field test considering the coal seam dip angle are applied to carry outresearch.Through theoretical calculation,it was determined that the width of the stress field in the 72510N working face is13.4 m,and the coal pillar reasonable width shou
6、ld not exceed 8.4 m.Combining with the simulation calculation results,thecoal pillar width was determined to be 7 m.On the basis of analyzing the difficulties in controlling the deformation ofsurrounding rock of inclined trapezoidal gob side entry in gently inclined coal seams,combining with the res
7、earch results,asymmetric support was used to control the surrounding rock.The support mode of“high-strength anchor bolt+roof high-strength long anchor cable+pillar side inclined anchor cable+anchor mesh was applied,and the field test results showed thatthe large deformation of surrounding rock of ro
8、adway along goaf was controlled by setting a 7 m coal pillar and using asymmetricsupporting.The maximum displacements of the right middle roof,the left middle roof,the coal pillar,the solid coal and thefloor measuring points during tunneling were 121,105,96,90 and 82 mm,respectively,and the maximum
9、displacementsobserved during mining were 389,363,346,335 and 325 mm,respectively,meeting the on-site production needs.Keywords:gently inclined coal seam;gob-side roadway;coal pillar width;asymmetric support;field application煤炭在我国是非常重要的一次能源,充分提高矿井煤炭采出率对我国煤炭行业的可持续发展具有重要意义。传统的邻近工作面2 0 30 m宽煤柱造成了大量的资源浪费
10、,而沿空掘巷技术的出现很好地解决了收稿日期:2 0 2 3-0 1-2 4基金项目:国家自然科学基金面上项目(52 2 7 4 0 8 1);河北省自然科学基金面上项目(E2021508011);河北省科学技术研究“青年拔尖人才”项目(BJ2020208)作者简介:殷帅峰(198 5一),男,河南汝州人,博士,教授,从事矿山压力及其控制、采场生产保障系统等方面的研究,E-mail:yinshuaifeng 。332023年第8 期程炭煤二技术施工资源浪费问题,逐渐在各个矿区得到应用2-4 在沿空掘巷煤柱宽度留设及其围岩控制方面,我国学者从理论计算、数值模拟、工程试验等角度进行了研究,取得了一系
11、列成果。但是在研究过程中多将煤层简化为水平煤层,如郭相平5 为了探究沿空巷道围岩应力分布特征与不同煤柱留设宽度之间的关系,采用理论分析和数值模拟相结合的方式对其展开了研究。柏建彪等6 采用数值模拟研究法,确定了不同硬度煤层沿空巷道煤柱合理留设尺寸值。查文华等7 探讨了基本顶断裂位置对窄煤柱稳定性的影响,并依据研究结果给出了煤柱留设尺寸的选择标准。贾川等8 依据全尺寸数值计算分析了厚煤层沿空采动期间围岩失稳机理。王恩等9,10 研究了双通道沿空留巷围岩偏应力分布,并提出了相应的控制技术。马其华等11 针对沿空巷道的支护问题,提出采用“三强”联合支护方式来提高巷道围岩的稳定性。岳帅帅等12 采用理
12、论计算和现场观测相结合的方式确定了特厚煤层综放开采沿空掘巷煤柱宽度。张杨等13 提出采用“让压锚杆+让压锚索”的非对称支护方式来应对沿空巷道两帮的不对称变形。田春阳等14 研究了深部大采高沿空巷道煤柱留设的合理宽度,并提出了锚杆索喷联合控制巷道围岩支护技术。李斌等15 基于关键层理论,结合Bieniawski提出的煤柱强度线性计算方法确定了沿空掘巷小煤柱宽度。王卫军等16 通过研究得出了基本顶给定变形条件下综放沿空巷道煤柱合理宽度的计算公式。陆士良等17 在分析研究多条沿空巷道之后,给出了巷道围岩变形与煤柱尺寸的一般关系式。丰安详等18 通过UDEC数值模拟及现场试验,研究了临空活动段沿空掘巷
13、煤柱的应力分布及围岩稳定控制技术。实际生产过程中煤层多存在一定倾角,将煤层简化为水平煤层研究时会不可避免产生误差,因此在研究沿空巷道时有必要考虑煤层倾角。本文以任楼煤矿7,510 N工作面风巷为工程背景,考虑煤层倾角的影响,开展了缓倾斜煤层条件下沿空巷道煤柱尺寸合理值与围岩控制研究,并在现场进行了工业性试验。1工程概况7,510N工作面位于矿井二水平的北翼,属于中五采区。工作面平均走向长为6 12 m,平均倾斜宽为14 9m,主采7 2、7,合并煤,煤层平均厚4.5m,中间夹厚度约为0.2 m,平均倾角为11。工作面岩层柱状如图1所示。该工作面对应地表地势平坦,预掘进的7,510 N工作面风巷
14、临近7,14 工作面,为沿空巷道,埋深约6 90 m,采用沿煤跟顶掘进方法掘进,巷道断面为斜梯形,宽度为5m,低帮高度为3 m、高帮高度4 m。岩石厚度岩层柱状岩性描述名称/m深灰色,含植物化石碎片,块状,偶见泥岩4.00黄铁矿晶体浅灰白色,成分以石英为主,含长石,细砂岩5.00楔形交错层理深灰色,具滑面及裂隙,偶见黄铁矿晶粉砂岩7.80体,缓波状水平层理,含植物化石碎片7273黑色,玻璃光泽,内生裂隙发育,性脆4.50煤易碎,碎块状为主,半亮型泥岩4.00深灰色,块状,含植物化石浅灰色,成分以石英为主,含菱铁云母细砂岩2.00片,块状深灰色,致密,均一,块状,具滑面,泥岩3.30断口平坦粉砂
15、岩2.70深灰色,层状,夹浅灰色细砂岩条带图1岩层柱状2缓倾斜煤层窄煤柱宽度留设理论计算研究表明,随着上一个工作面的回采,基本顶将发生破断、相互咬合从而形成稳定的铰接结构,以破断线为界,可以将支承压力分布分为两个部分,即内应力场S,和外应力场S【19,依据“内外应力场”理论,沿空掘巷时巷道的位置应布置在稳定的内应力场范围内2 0.1。大多数学者在对内外应力场进行研究时,将模型简化为如图2 所示的不考虑煤层倾角的模型,并给出了内应力场宽度表达式。该模型对于内应力场的研究具有一定的参考价值,但是不可否认,煤层倾角对于内应力场的范围有一定的影响。关键块C关键块B关键块A外应力场内应力场上区段采空区S
16、S图2不考虑煤层倾角的内外应力场模型在前人研究的基础上,刘垚鑫等2 2 将煤层倾角考虑了模型里面,建立了如图3所示的模型。根据该模型,可以得出考虑煤层倾角的内应力场范围关342023年第8 期二技术施工程炭煤系式为:12Lyabm(1+v)cos(-0)2S,=(1)EM-h(K。-1)式中,S为内应力场宽度,m;E 为试验工作面煤弹性模量,MPa;L为铰接岩梁跨度,m;为上覆平均岩层容重,kN/m;M 为采高,m;为试验工作面长度,m;b 为初次来压步距,m;h 为上覆直接顶厚度,m;m为上覆基本顶厚度,m;u 为泊松比;为裂纹系数;为关键块回转角度,();为煤层倾角,();K。为碎胀系数。
17、关键块B:关键块A关键块外应力场内应力场上区段采空区S,S,图3考虑煤层倾角的内外应力场模型依据7,510 N工作面地质生产条件和现场实测结果可知,试验工作面煤弹性模量E=760MPa,煤层采高M=4.5m,倾角=11,工作面长度a=149m,平均岩层容重=2 5kN/m,初次来压步距b=40m,直接顶厚度h=7.8m,基本顶厚度m=5m,碎胀系数K。=1.2,铰接岩梁跨度L=39m,关键块回转角度=20,裂纹系数=0.8,泊松比u=0.3。代入式(1)计算可得考虑煤层倾角的内应力场宽度为13.4 m。7,510N工作面风巷宽度设计为5m,依据“内外应力场”理论和计算结果,煤柱尺寸应不超过8.
18、4 m。3缓倾斜煤层煤柱合理宽度数值分析3.1数值模型建立与模拟方案根据试验工作面条件,建立的数值模型尺寸为:长宽高=14 0 m200m90m。模型四周和底部均为固定位移边界条件、顶部为应力边界条件,为了模拟上覆岩层重量从而在顶部边界施加均匀分布的竖向载荷。侧压系数取1.2,煤岩体的破坏服从摩尔-库伦破坏准则。沿着煤岩层排列方向为乙轴,工作面推进方向为Y轴,沿着煤层倾向为X轴。为了探究合理煤柱留设尺寸值,分别模拟计算留设3,5,7,9,11m煤柱尺寸时沿空掘巷围岩应力及塑性分布特征。上覆岩层细砂岩泥岩粉砂岩下茯岩层煤图4数值模型3.2模拟结果分析3.2.1应力分布特征及转移规律各煤柱尺寸条件
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