淺埋煤層綜放工作面沿空窄煤柱護(hù)巷試驗(yàn)研究

李志軍，李川田

（1.中煤平朔集團(tuán)井東煤業(yè)公司，山西朔州 036800；2.太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，太原 030024）

淺埋煤層綜放工作面沿空窄煤柱護(hù)巷試驗(yàn)研究

李志軍1，李川田2

（1.中煤平朔集團(tuán)井東煤業(yè)公司，山西朔州 036800；2.太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，太原 030024）

以井東煤業(yè)有限公司44304綜放工作面為工程背景，研究了沿空留巷掘進(jìn)中留設(shè)煤柱寬度的問題，建立了工作面沿空護(hù)巷煤柱靜載作用下力學(xué)模型，理論計(jì)算出臨界煤柱寬度9.6m，同時(shí)采用數(shù)值模擬的方法，模擬不同煤柱寬度下巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量及最大主?yīng)力分布的變化規(guī)律，取各參量的最大值為分析判斷合理煤柱寬度留設(shè)的參考標(biāo)準(zhǔn)，綜合優(yōu)選出工作面沿空護(hù)巷的窄煤柱寬度為10m。

淺埋煤層；沿空留巷；煤柱；煤體強(qiáng)度

綜放工作面開采沿空掘巷煤柱的留設(shè)對(duì)于提高煤炭采出率、快速成巷和巷道維護(hù)等具有重要意義[1]。寬煤柱的留設(shè)，圍巖應(yīng)力集中程度小，可以保證成巷速度與服務(wù)時(shí)間，巷道維護(hù)簡(jiǎn)單；煤柱留設(shè)過窄，雖然煤層采出率提高，但受采動(dòng)影響，煤柱的快速變形減少了有效服務(wù)時(shí)間，同時(shí)增加了巷道維護(hù)難度，二次支護(hù)增加了煤炭采出成本[2-3]。因此，復(fù)雜地質(zhì)條件下，沿空窄煤柱的留設(shè)成為煤炭企業(yè)高產(chǎn)高效的關(guān)鍵技術(shù)。目前，對(duì)于淺埋煤層的煤柱寬度留設(shè)研究較少，文中嘗試采用理論計(jì)算及數(shù)值模擬的方法,針對(duì)這種典型的地質(zhì)條件下留設(shè)窄煤柱寬度進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)工作面概況

中煤平朔集團(tuán)井東煤業(yè)有限公司44304工作面位于井田西南部，工作面北部為44303工作面采空區(qū)，南部為兩條南北方向的探巷，東部為4號(hào)煤邊角煤回收區(qū)輔運(yùn)、主運(yùn)大巷，西部為與二鋪二礦的公共礦界。地面標(biāo)高+1 465～+1 492m，44304工作面標(biāo)高+1 248～+1 260m。44304工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高回采工藝，走向長(zhǎng)度280m，傾斜長(zhǎng)度241m，主采4號(hào)煤層，平均煤厚11.6m，屬中硬煤層（普式硬度值f值1.5左右），上覆巖層特性如表1所示。

2 沿空巷煤柱力學(xué)模型分析

工作面沿空巷煤柱受力示意圖，見圖1。

沿空巷所留煤柱上載荷集度等于覆巖荷重，載荷寬度為煤柱臨界寬度W與巷道寬度B之和，則煤柱上的靜載集度q為

式中：H為煤層埋深，138m；γ為覆巖容重，取21.64 kN/m3；W為煤柱寬度，m；B為巷道寬度，5.2m。

煤的強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，煤的強(qiáng)度很大程度上取決于試件的尺寸和形狀，隨立方體試件邊長(zhǎng)尺寸增加，煤的強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律減小，并達(dá)到漸進(jìn)值。故煤柱的強(qiáng)度同樣存在著尺寸形態(tài)效應(yīng)[4]。當(dāng)煤柱強(qiáng)度與煤柱所承擔(dān)的靜載集度相等時(shí)，此時(shí)煤柱寬度W為臨界寬度。依據(jù)Bieniawski煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式得出關(guān)于煤柱臨界寬度與載荷、煤體抗壓強(qiáng)度等的關(guān)系式[5]：

式中：σc為實(shí)驗(yàn)室試件單軸抗壓強(qiáng)度，12 MPa；h為巷道高度，3.5m。

計(jì)算得出，臨界煤柱寬度W=9.6m。

3 沿空巷煤柱優(yōu)選數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)44304綜放工作面頂?shù)装鍘r層賦存狀況及布置，基于快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，建立工作面三維沿空巷道力學(xué)數(shù)值分析模型。模型的尺寸長(zhǎng)×寬×高=300m×160m×145m，上覆巖層厚度取100m，垂直應(yīng)力為2.5 MPa，水平應(yīng)力取為0.45 MPa，各巖層巖體力學(xué)條件如表1所示。模型的兩側(cè)邊界為水平位移約束，底部邊界為固定位移約束，模型計(jì)算分析采用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則（Mohr-Coulomb），即

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，MPa；c是材料的粘結(jié)力，MPa；φ是材料的摩擦角，°。

開挖巷道為矩形狀，規(guī)格為：寬×高=5.2m×3.5m。對(duì)工作面不同寬度煤柱留設(shè)的幾種方案進(jìn)行模擬：6m、7m、8m、9m、10m、11m和12m，分析各種情況下，沿空巷道頂?shù)装逡平?、兩幫收斂量及最大主?yīng)力的變化規(guī)律，優(yōu)選出合理煤柱寬度。

3.2 模擬結(jié)果分析

不同寬度煤柱寬度留設(shè)下，沿空留巷開挖模擬結(jié)果，見圖2。圖2分別為煤柱寬度6m、8m、10m和12m變化時(shí)，巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量及最大主?yīng)力分布。取不同煤柱寬度下，模型穩(wěn)定后，巷道頂?shù)装?、兩幫移近量及?yīng)力最大值為分析判斷合理煤柱寬度的參考標(biāo)準(zhǔn)，其變化曲線見圖3。

1）沿空巷的不同寬度煤柱留設(shè)時(shí)，圍巖水平、豎直移動(dòng)及應(yīng)力變化均有不同程度差異，其中煤柱寬度變化6～8m和8～10m兩種情況下，各參量分布差異較大；煤柱寬度10～12m變化時(shí)，各參量分布差異不明顯。

2）隨煤柱寬度的增加，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫相對(duì)移近量及最大主應(yīng)力值變化均逐漸減小，并呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)最大主應(yīng)力減少，即應(yīng)力集中程度減小，當(dāng)煤柱留設(shè)大于一定寬度時(shí)，而礦壓顯現(xiàn)程度減弱。工程實(shí)際中表現(xiàn)為：煤柱留設(shè)寬度的增加，沿空巷受相鄰工作面采動(dòng)影響減小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。

3）沿空巷窄煤柱由6m增加12m變化時(shí)，巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量變化33.5～36.3mm，兩幫相對(duì)移近量變化139.0～165.6mm，最大主應(yīng)力值變化6.7～5.9 MPa，曲線呈現(xiàn)出凹函數(shù)的遞減趨勢(shì)，各參量的變化率逐漸減小，即礦壓顯現(xiàn)程度變化減小。煤柱寬度小于10m時(shí)，巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量及最大?yīng)力值均急劇變化，而煤柱寬度大于10m時(shí)，各參量變化相對(duì)較為平緩。

綜上數(shù)值分析結(jié)果，考慮盡量減少煤柱損失、保證一定的回采率，同時(shí)選擇巷道礦壓顯現(xiàn)程度較弱的情況，即成巷安全可靠，保證巷道服務(wù)年限內(nèi)正常使用，煤柱寬度選為10m。

4 結(jié)論

1）建立了工作面沿空巷煤柱承載力學(xué)模型，計(jì)算出煤柱的臨界寬度為9.6m。

2）通過數(shù)值模擬計(jì)算不同煤柱寬度下巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量及最大主?yīng)力的變化規(guī)律，得出煤柱為10m時(shí)較為合理。

3）綜合理論計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)選出井東煤業(yè)有限公司44304綜放工作面沿空巷窄煤柱寬度為10m。

[1]張少杰,王金安,吳豪偉,等.綜放開采合理護(hù)巷煤柱寬度研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2012，21（3）：52-55.

[2]李龍,丁國(guó)立.大傾角綜放開采區(qū)段煤柱與圍巖結(jié)構(gòu)特征研究[J].山西煤炭，2014，34（5）：29-31.

[3]賈喜榮.巖層控制[M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[4]賈喜榮,王麗.回采巷道煤柱臨界寬度理論計(jì)算方法[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，42（1）：102-103.

[5]曹虎斌.潞寧煤業(yè)沿空掘巷煤柱尺寸及變形控制研究[J].山西煤炭,2014,34(3):23-25.

Test on Roadway Protected by Narrow Coal Pillars along Gog-side Entry Retaining on Fully-mechanized Mining Face of Shallow Coal Seam

LI Zhijun1,LI Chuantian2
(1.Jingdong Coal Co.,Ltd.,ChinaCoal Pingshuo Group,Shuozhou 036800,China; (2.College of Environment and Safety,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024, China)

Taking No.44304 fully-mechanizedmining face in Jindong Mine as engineering background,the width of coal pillars along gob-side entry retaining was studied.Under static load,amechanicalmodel was established.The critical value of the pillar width was obtained by theoretical calculation.In addition,the variation of roof-floor displacement,two-side displacement,andmaximum stress distribution under different widths of pillars were studied by numerical simulation.Themaximum value of each parameter was used as the reference standard to judge the rationality of the width of coal pillars.Finally,the narrowcoal pillars width was determined tobe 10mbyintegrated optimumselection.

shallowlyburied coal seam;gob-side entryretaining;coal pillars;coal strength

TD322

A

1672-5050（2015）05-0027-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.010

（編輯：樊敏）

2015-05-21

太原科技大學(xué)校青年基金（20133003）

李志軍（1976-），男，山西朔州人，大學(xué)本科，工程師,從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

李川田（1975-），男，講師，（Tel）13834208981