复杂条件下沿空掘巷煤柱宽度的选择

γ0 ———岩层平均体积力 , kN /m3 ;
px ———上区段平巷支架对下帮的支护阻力 , kN /m。
技术经验 煤 矿 安 全 (2007 - 06)
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这里 u = 0. 32,β= 0. 47,γ0 = 25 kN / m 3 ,M = 3. 5 m , H = 445 m , C0 = 2. 0 M Pa, k = 2. 4,Φ0 = 28°,α = 14°, px = 0 (因上区段平巷为 U 型棚支护 ,回采期间 已撤出回收 ) ,求得 x1 = 2. 32 m。
+
px
β
/2 tanΦ0 〕
(2)
式中 M ———上区段平巷高度 , m;
α ———煤层倾角 , ( °) ;
β ———侧压系数 ,β =μ/ ( 1 - μ) , μ为泊松
比;
Φ0———煤体内摩擦角 ;
C0 ———煤体粘聚力 , kN /m3 ; k ———应力集中系数 ;
H ———巷道埋深 ;
摘 要 :针对淮南矿区“三软 ”复合顶板的 13槽煤层赋层状况 ,探讨了综采沿空掘巷条件下的煤 柱留设 。通过理论分析和 FLAC数值模拟 ,确定了该条件下煤柱留设的大小 。 关键词 :复杂条件 ;沿空掘巷 ;煤柱宽度 中图分类号 : TD263 文献标识码 : B 文章编号 : 1003 - 496X (2007) 06 - 0036 - 02
通过不同煤柱宽度时煤柱内沿走向垂直应力云 图 (图略 )可以看出 :随煤柱宽度增大 ,煤柱内垂直 应力不断增大 ,当煤柱宽度 3 m 时 ,煤柱内总体应力 较低 ,而 7 m 煤柱宽度时 ,在煤柱内有一应力核 ,垂 直应力峰值达到 48. 34 M Pa。通过不同煤柱宽度时 煤柱水平位移云图 (图略 )可以看出 :随煤柱宽度增 大 ,煤柱内水平位移减小 ,当煤柱宽度 3 m 时 ,煤柱 水平位移达 980 mm。
参照图 1可以计算出合理的最小护巷煤柱宽度
B:
B = x1 + x2 + x3 (1) x1为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑 性区宽度 (即极限平衡区宽度 ) 。
x1
=
2
Mβ tanΦ0

〔(
kγ0
H
co
sαtanΦ0 + 2C0 - Mγ0 sinα)
2C0
- Mγ0 2 tanΦ0
sinα
工作面为提高上限的回采工作面 ,平均煤厚为 4. 8 m ,煤为黑色 ,块状 ,油脂光泽 ,暗煤为主 ;局部发 育 1～2 层夹矸 ,夹矸为泥岩或炭质泥岩 ,厚 0. 1 ～ 0. 6 m ,煤层硬度系数 f为 0. 3～1. 3,煤层直接顶为 泥岩及 13 - 2煤 ,上覆岩层结构复杂属复合顶板 ,直 接底为泥岩 ,是典型的三软煤层 ;该面运输顺槽跟顶 掘进 ,采用沿空掘进布置 ;回采方式为走向长壁综合 机械化采煤 ,平均采高 2. 6 m。
范 ,选取长为 2. 2 m 的锚杆锚入煤体深度为 2. 1 m
时 ,大于巷道周边破碎区与塑性区之和 1. 86 m ,故
取 x2 = 2. 0 m。 (3) x3为安全系数 。 x3 = ( 0. 15～0. 35) ( x1 + x2 ) , 则 x3 = 0. 25 ( x1 + x2 ) = 0. 864 m。 所以合理的最小护巷煤柱宽度 B = x1 + x2 + x3
M ———煤层厚度 ,M = 4. 8 m ;
H———开采深度 , H = 445 m。
根据以上参数可以计算得 : L = 14. 66 m。
为使沿倾斜支承压力峰值落在实体煤内部 ,巷
道布置在应力降低区 ,因此煤柱一般采用窄煤柱 。
在实际工程中 ,为简化计算大都参照图 1 来确定煤
柱的宽度 。
图 1 煤柱合理宽度
m , ST =γH tanΦ0 + C0 = 8. 5 M Pa,取破碎区和塑性区
为最大值时 , pi = 0,得 R1 = 3. 23 m , R2 = 4. 66 m。所
以破碎区和塑性区半经之和为 ( R1 - R0 ) + ( R2 -
R1 ) = 1. 86 m。根据金属锚杆支护系列参数选取规
= 5. 1 m ,故煤柱留设 5. 1 m 是合理的 。
2 煤柱宽度的数值模拟
由于煤柱宽度的变化以及相对工作面位置的不 同 ,矿山压力作用下造成的岩层移动和应力重新分 布将对巷道维护及其稳定性产生影响 ,通过数值模 拟研究煤柱宽度变化时巷道周边岩体的应力变化规 律及破坏场与位移场的分布和演化规律 ,从而对煤 柱不同宽度时的综放开采巷道稳定性进行研究和分 析 。综采面煤层厚度 4. 8 m ,阶段煤柱宽度分别取 3 m、5 m 和 7 m 3种情况 ,进行煤柱内应力分析 。
图 3 巷道支护参数布置图
按照以上支护形式和支护参数 ,通过对工作面 采掘过程的矿压观测 ,上述宽度的窄煤柱不但保证 其自身稳定 ,而且巷道围岩变形量较小 ,有利于巷道 稳定 。
作者简介 :王贵虎 ,男 ,安徽定远人 ,硕士 ,安徽理工大学 土木系讲师 。
(收稿日期 : 2006 - 12 - 08;责任编辑 :梁绍权 )
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煤 矿 安 全 ( Total 391) 技术经验
复杂条件下沿空掘巷煤柱宽度的选择
王贵虎 1 ,洪 武 2 ,唐述敏 3
(1. 安徽理工大学 土木系 ,安徽 淮南 232001; 2. 淮南矿业集团矿业公司 ,安徽 淮南 232000; 3. 新集矿业集团公司 一矿 ,安徽 淮南 232000)
(3)
塑性区半径 :
R2 = R0 [ ( 1 - sinΦ0 ) ( p0 + C0. coΦt 0 ) / ( pi +
Φ C0. cot
) ] ( 1 - sinΦ 0) /2 sinΦ0
0
(4)
式 (3) 、式 (4)中 , R0为井巷等效半径 , m; pi为支
护抗力 , kN;其它参数同 x1的计算公式 。 R0 = 2. 80
综合以上分析 , 3 m 煤柱时 ,煤柱变形太大 ,有 可能出现煤柱漏空 ; 7 m 煤柱时 ,煤柱内出现应力 核 ,因为煤体较软 ,有可能出现煤柱失稳 。因此该工 作面下顺槽选取 5 m 煤柱 ,与前面理论分析吻合 。 3 工程实践
为适合“三软 ”煤层综采沿空掘巷围岩变形的 特点 ,可以通过提高锚杆支护强度减小综采沿空掘 巷窄煤柱的变形 、改善应力分布 ,提高其稳定性 ;同 时可通过锚杆支护技术提高窄煤柱的稳定性 ,采用 高强度螺纹钢锚杆支护体系 ,提高锚杆支护强度 ;另 外采用树脂药卷全长锚固或加长锚固和采用高预紧 力提高破碎煤体的力学参数 ,防止窄煤柱强度过早 弱化 ,提高其承载能力 。基于以上考虑 ,巷道选取 “锚杆 +网 +钢带 +锚索 ”支护形式 ; 选取强度大 , 延伸率大的 20M nSi左旋无纵筋螺纹钢预拉力等强 锚杆 ,通过钢带连接使支护结构以便形成锚杆桁架 , 因为巷道底板是煤和泥岩 ,为防止底臌在 2 帮各打 1根锚杆在底角排档内 ,与水平成 30°夹角 ,为有效 地控制顶板和护住巷道两边角 ,锚索按照“…1. 3. 1. 3 …”菱形布置形式 ,中心处锚索铅直 ,两侧锚索 向 2侧外斜 14°。巷道支护参数见图 3。
1 煤柱宽度的理论分析
不论宽煤柱还是窄煤柱护巷 ,回采巷道都位于
采场三维应力场范围附近 ,煤柱宽度的改变不仅其
内力学状态发生变化 ,而且巷道围岩力学状态及变
形也有所改变 ,势必影响到巷道围岩的稳定性 。为
了正确选择沿倾斜布置的合理位置 ,就应该预先了
解峰值区离煤体边缘的距离 (L ) , 避免把巷道布置
在高应力区 。根据该矿的观测数据进行回归分析 ,
沿倾斜支承压力峰值离煤体边缘的距离 L 可按如下
经验公式估算 :
L = 17. 201 5 - 0. 475f0 - 0. 16Rc - 0. 199α +
1. 593 M + 1. 7 ×10 - 3
(1)
式中 f0 ———煤层坚固性系数 , f0 = 1. 3; Rc———顶板岩石单向抗压强度 , Rc = 30 M Pa; α———煤层倾角 ,α = 14°;
(2) x2为锚杆锚入煤体的深度 ,可以由巷道推进 时产生的破碎区和塑性区来确定 。
破碎区半径 :
R1 = R0 [ ( ST + C0. coΦt 0 ) ( 1 - sinΦ0 ) / ( pi + C0.
coΦt 0 ) ( 1 + sinΦ0 ) ] (1 - sinΦ0) /2 sinΦ0