中厚煤层区段煤柱合理留设宽度分析.pdf
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1、收稿日期:作者简介:刘宝玉(),男,陕西长武人,工程师,现从事煤矿采矿技术管理相关工作。中厚煤层区段煤柱合理留设宽度分析刘宝玉,李国平,刘德鑫,李培(彬县煤炭有限责任公司,陕西 咸阳 ;陕西华彬雅店煤业有限公司,陕西 咸阳 )摘要:工作面开采过程中区段煤柱合理留设宽度对矿山提高回采率及巷道围岩稳定性具有重要作用。以彬长矿区某矿综采工作面区段煤柱留设为研究背景,通过区段煤柱宽度理论计算,得出煤柱宽度为 。利用数值模拟方法分别对 、煤柱宽度条件下工作面开采过程中的煤柱垂直应力、水平应力和位移进行研究,发现从平衡应力场状态出发,留设 宽度煤柱以确保应对较长时间尺度下煤岩体非塑性状态的蠕变和流变;而从
2、平衡后的位移场出发,选择留设 煤柱即可满足其变形很小且有一定有效宽度并处于良好弹性状态,同时能够发挥其对顶底板岩层的支承作用和对巷道的保护作用。综合分析相关结果并应用于工程实践中,得出了区段煤柱合理留设尺寸,为类似条件下区段煤柱的留设提供了依据。关键词:中厚煤层;区段煤柱;煤柱留设;合理宽度;围岩稳定性中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,;,):,:;引言关于区段煤柱尺寸留设理论,各国的学者进行了很多的研究,但对煤柱宽度的合理程度至今没有统定论 。回采巷道的护巷煤柱用于隔离采空区和维护巷道,其形状一般设计为矩形或正方形。煤柱有能够支撑顶板的作用,所以煤柱受到破坏后,对顶板岩层控制有比较
3、大的影响。研究表明,煤柱的合理尺寸会影响回采巷道受动压破坏的严重程度,是对回采巷道稳定性有影响的主要因素 。第 期刘宝玉李国平刘德鑫等中厚煤层区段煤柱合理留设宽度分析彬长矿区某矿井一采区 号煤层属于中厚煤层,工作面巷道为三巷布置,相邻工作面回采巷道之间留设 煤柱,在工作面回采过程中,因煤柱留设不合理导致巷道底板底鼓、顶板下沉、两帮挤压变形严重,影响了矿井的安全高效生产。基于此,探究中厚煤层工作面开采区段煤柱合理留设宽度,对保证矿井的安全高效生产和提高资源回收率具有重要意义。工作面概况矿井 号煤层综采工作面位于一采区东翼,埋深约 ,其上部为沟谷切割的塬梁地貌,工作面设计走向长度 ,倾向 ,煤层平
4、均厚度,工作面倾角 ,地质构造简单。工作面区段保护煤柱留设 ,工作面的北侧是实体煤,南侧是采空区,西侧是 条下山,东侧是采区边界,工作面巷道断面均是矩形,运输顺槽 (宽 高),回风顺槽和泄水巷 (宽 高)。工作面采用走向长壁综合机械化开采,全部垮落法管理顶板。综采工作面巷道布置如图 所示。工作面回风顺槽受一次采动影响,巷道顶板破碎下沉、底板底鼓,顶底板移近量平均达到 。两帮变形严重、移近量平均达到 ,且肩窝处受挤压形成了网兜,部分段煤柱发生整体性破坏和偏移。?图 工作面巷道布置示意 煤柱合理宽度理论计算 煤柱合理宽度确定原则基于采空区侧向支承压力的分布规律,巷道处于应力降低区,有利于巷道及煤柱
5、的稳定性。随上区段工作面的回采及巷道掘进影响,巷道两侧均存在破碎区,但如果煤柱均为破碎状态,则煤柱的稳定性及承载能力降低,无法进行锚杆支护,巷道维护相当困难。因此,煤柱内应存在稳定区域。当煤柱宽度较大时,随着煤柱宽度的增加,巷道围岩变形量减小,直至趋于稳定之后,若再增加煤柱宽度,则煤柱宽度过大,会影响煤炭资源的回收率。基于巷道围岩的稳定性,应采用宽度较小的煤柱,以提高煤炭采出率。煤柱宽度计算分析留设煤柱是煤矿中一直沿用的护巷方法,旧有的留设煤柱护巷方式是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度煤柱,可以使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。煤柱(体)的承载能力,随远离煤体(煤柱)边缘而明
6、显增长,在距煤体(煤柱)边缘一定宽度内,存在着煤柱(体)的承载能力与支承压力处于极限平衡状态,如图 所示。运用岩体的极限平衡理论,塑性区的宽度即支承压力峰值与煤壁的距离 可由式()确定 ()()式中,为上工作面开采后在侧向煤体产生的塑性区宽度,;为煤体黏聚力,取 ;为煤体内摩擦角,取 ,为煤柱帮支护阻力,取 ;为应力集中系数,取 ;是覆岩平均容重,取 ;为工作面埋藏深度,;为煤层厚度,;为煤层与顶底板接触面摩擦因数,取 ;为应力系数,()()。代入式中计算得 ,即塑性区宽度。陕西煤炭 年?图 煤柱(体)的弹塑性变形区及应力分布 弹性应力分布;弹塑性应力分布;破裂区;塑性区;弹性区应力升高部分;
7、原始应力区上部工作面开采后引起周围煤体应力集中,随着煤体边缘发生塑性变形和破坏,集中应力向深部转移,且在距离采空区边缘一定距离处应力值达到最大,考虑到峰值应力对巷道和煤柱稳定性产生了很大影响,为了确保煤柱以及巷道的稳定,将巷道布置在应力降低区的范围,避开峰值应力作用范围。同时,煤柱需要隔离采空区,煤柱宽度不能过小。为了保证煤柱和巷道的稳定,区段煤柱的宽度必须满足煤柱两侧产生塑性变形区后,煤柱中部仍存在一定区域具有承载能力,即煤柱宽度符合式()()式中,为上工作面开采后在侧向煤体中产生的塑性区宽度;为煤层厚度的煤柱安全系数,取()的 ;为锚杆的有效长度。根据护巷煤柱极限平衡理论和巷道应力极限平衡
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