19-南阳坡煤矿3 号煤层区段煤柱合理宽度研究与实践-煤矿开采2018年第6期

柱宽度大于 18m 时, 煤柱中心弹性核区已足够保 监测站距离开切眼约为 50m, 第 2 监测站距开切眼
证煤柱整体结构的完整性, 并且在保证安全生产的 长度约为 70m。 如果某处断面发生围岩破损严重的
前提下为了能够更多地采出煤炭, 最终确定 8701 情况, 可以根据现场实际情况在监测区域内新增加
难点。 目前铁峰公司大多留设 20 ~ 40m 宽煤柱以 8701 工作面区段煤柱留设为例, 利用极限平衡理
维护巷道, 这大大造成了资源的浪费, 使煤炭采出 论与数值软件的方法研究高强度开采条件区段煤柱
率降低, 相邻工作面回采速度快, 开采强度高, 当 的受力情况, 应用于现场实践, 最终确定煤柱留设
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孙涛胜等: 南阳坡煤矿 3 号煤层区段煤柱合理宽度研究与实践
2018 年第 6 期
2 煤柱合理尺寸设计
6000 步[14] 。
2． 1 煤柱宽度理论计算
煤柱宽度的确定对巷道稳定性具有重要影响。
煤柱宽度的计算利用煤柱的强度理论和极限平衡理
论, 以巷道、 采空区附近煤层塑性区宽度和保持煤
柱稳定性的煤柱中间弹性区宽度为依据, 确立理论 公式对煤柱合理宽度进行推算[11-13] 。
第 23 卷 第 6 期 ( 总第 145 期) 2018 年 12 月
煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol． 23No． 6 ( Series No． 145) December 2018
开采技术与装备
南阳坡煤矿 3 号煤层区段煤柱合理宽度研究与实践
孙涛胜1 , 孙 来2
体积模 量 / GPa
6． 25 1． 25 6． 00
切变模 量 / GPa
2． 88 0． 58 2． 00
泊松比
0． 30 0． 30 0． 25
内摩擦 角/ (°)
22． 3 37 25
黏聚 力 / MPa
3． 80 1． 45 3． 50
容重 / ( kN·m-3 )
25 14 25
抗拉强 度 / MPa
巷道处于采动影响区时, 由于支护不利引起巷道大 合理尺寸和相对应的围岩支护技术。
范围变形破坏, 严重影响矿井安全生产[4-6] 。 我国众多专家学者在煤柱合理宽度确定方面做
1 工程概况
了大量研究, 张广超等[3] 建立了高强度开采工作
南阳坡煤矿 3 号煤层 8701 工作面长 180m, 走
面顶板破断结构模型, 确定了区段煤柱合理宽度, 向长度 1200m, 煤层平均厚度为 2． 95m, 煤层赋存
宽度对相邻两巷道围岩应力分布和变形特征的影 北部 T4, T5, 511 号 钻 孔 岩 层 的 成 分 为 粉 砂 岩;
响, 揭示了煤柱宽度与巷道稳定性的关系; 王德超 矿井 西 部 岩 层 由 粉 ( T7, 408, ME202 孔 ) 、 细
等[9] 采用数值模拟的方法确定了区段煤柱合理留 (309, 310 孔) 砂岩所组成; 矿井东南部岩层则由
保持护巷煤柱稳定性的煤柱宽度 S 为:
S = x1 + 2M + x2
(1)
式中, x1, x2 为区段煤柱两边塑性区宽度; 2M 为区
段煤柱中间弹性区宽度, M 是巷道掘高。
采空区侧方煤柱边缘塑性区宽度为:
x1
=
mA
kγH ln[
2twk.baidu.comnφ C0
+ C0 tanφ] + P0
=
4． 35
(2)
tanφ A
金属网-W 钢带支护, 其中顶板采用左旋无纵筋螺 2703 巷道围岩变形逐渐增大, 当推进一定距离以
纹 锚 杆, 规 格 ϕ20mm ´ 2200mm, 间 排 距 为 后, 巷道的变形量逐渐趋于稳定, 巷道两帮最大位
1000mm ´800mm; 两帮所采用锚杆材料一致, 规 移量最后趋向 300mm, 顶底板最大收敛量趋向于
设宽度, 采取相应的支护措施后围岩变形大大降 细、 粗砂岩所构成。 3 号煤层及顶底板物理力学参
低; 刘金海等[10] 针对煤层区段煤柱留设问题, 通 数如表 1 所示。
表 1 煤岩体物理力学参数
顶板 3 号煤 底板
累深 / m
198 201 207
厚度 / m
31 3 5
弹性模 量 / GPa
7． 5 1． 5 6． 5
因此可得巷道围岩塑性区宽度为:
x2 = 1． 6 × 2． 9 ×
{ [ ] } (2． 5 × 25 × 200 + 1450 × 1． 32) × (1 - 0． 6) 1450 × 1． 32
1 -0． 6
1． 2 - 1
= 2． 05
则煤柱宽度为:
S > 4． 35 + 2 × 3． 3 + 2． 05 = 13m
果见图 1。 根据现场实际生产情况, 工作面长度为
180m, 平均采高取 3． 0m 进行计算, 从而模拟出回
采过程中的应力变化对区段煤柱另一侧巷道稳定性
的影响以及宽度不同的区段煤柱对巷道位移大小的
影响。 为体现高强度开采, 将回采开挖速度定为
图 1 不同煤柱宽度下煤柱垂直应力分布曲线
从图 1 中可以看出, 当煤柱留设 12m 时, 煤 柱内会产生明显的支承应力叠加现象, 垂直应力峰 值最大达到了 25． 7MPa, 此时煤柱处于应力集中状 态, 呈单峰形态, 且易变形失稳。 随着煤柱宽度不 断增加, 应力峰值的范围也随之不断扩大, 煤柱宽 度由 15m 增大到 21m 过程中, 煤柱内垂直应力基 本呈现 “ 马鞍形”, 煤柱两侧各出现一个应力峰 值。 区 段 煤 柱 宽 度 为 15m 时, 应 力 峰 值 为 25． 2MPa; 区段煤柱为宽度 18m 时, 应力峰值减小 为 23． 7MPa; 区段煤柱宽度为 21m 时, 应力峰值 进一步减小到 20． 6MPa。 随着区段煤柱宽度大于 15m 后, 煤柱内垂直应力峰值逐渐减小, 煤柱内 2 个垂直应力峰值之间平滑段逐渐增加, 说明煤柱内 弹性区范围越来越大, 煤柱内应力集中范围明显减 小, 煤柱稳定性较好。 2． 3 不同尺寸煤柱位移分布特征
工作面煤柱留设宽度取 18m。
观测站。
3 现场支护与矿压观测
通过十字交叉法监测 2703 巷道在掘巷和回采 期间顶底板和两帮的位移量。 监测结果表明, 南阳
根据 3 号煤层 8701 工作面 18m 的煤柱宽度设 坡煤矿 3 号煤层煤柱留设 18m 的情况下, 掘巷期
计支护参数, 相邻 2703 巷道采用锚杆-锚索-菱形 间两 帮 位 移 最 大 为 20mm。 工 作 面 开 始 推 进 时,
在煤炭资源高强度开采的今天, 煤柱合理宽度 过微震监测、 应力动态监测和理论计算等方法确定
的留设影响着井下回采巷道的稳定性, 这是矿井安 了煤柱尺寸。 许多学者对区段煤柱合理宽度的研究
全高效生产的重要保障和前提[1-3] 。 然而高强度下 已经很详尽, 但是针对高强度开采条件下的煤柱宽
煤柱宽度的合理尺寸一直是沿空巷道研究的重点与 度问 题 研 究 仍 较 少。 本 文 以 南 阳 坡 矿 3 号 煤 层
[关键词] 区段煤柱; 合理宽度; 联合支护; 高强度; 围岩控制 [ 中图分类号] TD822． 3 [ 文献标识码] B [ 文章编号] 1006-6225 (2018) 06-0024-04
Practice and Study of Sectional Coal Seam Rational Width of No． 3 Coal Seam in Nanyangpo Coal Mine
提出了非对称围岩控制技术; 谢广祥等[7] 通过对 稳定, 大部分可采, 只有少数夹矸。 顶板岩层的构
工作面巷道表面位移与支架载荷的监测分析, 指出 成组分主要有细、 中、 粗砂岩。 矿井中东部和南部
了合理巷道支护设计原则; 闫帅等[8] 研究了煤柱 TE13 号钻孔岩层的成分是砂质泥岩和泥岩; 矿井
力, 取 P0 = 50kN。
巷道围岩塑性区宽度 x2 计算如下:
{ [ ] } x2 = ηR0
( kγH + C0 ·cotφ) (1 - sinφ)
1 -sinφ
2sinφ - 1
C0 ·cotφ
(3)
式中, η 为塑性区宽度修正系数, 取值 1． 6; R0 为
圆巷等效半径, 取巷道宽度一半, 即 2． 9m。
0． 78 1． 27 0． 74
[ 收稿日期] 2018-07-12
[ DOI] 10． 13532 / j． cnki． cn11-3677 / td． 2018． 06． 006
[ 作者简介] 孙涛胜 (1994-) , 男, 山西大同人, 助理工程师, 主要从事巷道围岩控制方面的研究。
[ 引用格式] 孙涛胜, 孙 来 ． 南阳坡煤矿 3 号煤层区段煤柱合理宽度研究与实践 [ J] . 煤矿开采, 2018, 23 (6) : 24-27．
通过理论计算, 煤柱宽度应大于 13m。
2． 2 不同尺寸煤柱应力分布特征
经过理论计算 3 号煤层煤柱合理宽度为大于
13m。 根据 理 论 计 算 得 到 的 煤 柱 合 理 宽 度, 选 取
15m, 18m 和 21m 宽度煤柱进行数值模拟, 为对比
明显, 加入 12m 宽度煤柱进行对比模拟, 模拟结
图 4 为不同宽度煤柱塑性区图, 从塑性区的发 展来看, 弹性核区宽度随着煤柱宽度的增加逐渐增 加 ,塑性区范围则逐渐减小。从图中看出,仅当煤
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总第 145 期
煤 矿 开 采
2018 年第 6 期
图 2 巷道顶底板下沉位移量监测曲线
图 3 巷道煤柱侧、 实体煤侧水平移近量位移曲线
图 4 不同宽度煤柱塑性区模拟
格为 ϕ18mm ´2200mm, 间排距 1000mm ´1000mm, 250mm, 均在安全允许范围以内, 证明该煤层留设
锚索长 5000mm, 间距为 3000mm。
18m 区段煤柱是可行的。
对 3 号煤层 2703 巷进行现场矿压观测。 选取 距开切眼 100m 内作为监测段, 巷道内设置 2 处监
(1． 大同煤矿集团铁峰煤业公司 增子坊煤矿, 山西 朔州 036000; 2． 大同煤矿集团铁峰煤业公司 南阳坡煤矿, 山西 朔州 036000)
[摘 要] 针对高强度开采工作面区段煤柱合理宽度留设问题, 以南阳坡煤矿 3 号煤层 8701 工 作面为工程背景, 综合应用理论分析、 数值模拟与现场试验相结合的研究方法, 研究了工作面区段煤 柱合理宽度及围岩联合支护技术。 通过理论方法计算出 3 号煤层区段煤柱的宽度应大于 13m, 并利用 数值模拟的方法对比分析不同宽度煤柱受力与塑性区变化情况, 综合考虑巷道稳定性及安全高效开采 等因素, 确定煤柱合理宽度为 18m; 提出采用锚杆及锚索补强联合支护系统进行巷道支护, 现场监测 表明 18m 煤柱下巷道围岩控制效果好, 为类似条件下巷道布置提供了有益借鉴。
式中, m 为上一区段平巷高度, 取 3． 3m; A 为侧
压力系数, 取 1; φ 为煤层内部摩擦角, 取 37°; C0 为煤层黏聚力, 取 1． 45MPa; k 为煤体内应力集中
系数, 依据现场情况取 2． 5; H 为巷道埋藏深度,
取 200m; γ 为岩层平均体积力, 依据现场地质情况
取 25kN / m3 ; P0 为支护系统对区段煤柱的支护阻
对模拟方案中的 2703 巷道顶底板和两帮中点 随步距的位移值进行统计, 并绘出宽度不同的区段 煤柱巷道在不同位置的曲线, 如图 2、 图 3 所示。
由图 2、 图 3 可 知, 当 区 段 煤 柱 宽 度 取 12m 时, 靠近煤 柱 侧 2703 巷 道 左 帮 位 移 量 为 50mm, 右帮位移量 30mm, 巷道顶板向下移动 42mm, 底 板底鼓量 23mm, 竖直方向收敛量为 63mm, 巷道 变形仍旧较大; 当区段煤柱宽度取 15m 时, 靠近 煤柱侧 2703 巷道左帮位移量为 40mm, 右帮位移 量为 25mm, 巷道顶板向下移动 30mm, 底板底鼓 量 22mm, 竖直方向收敛量为 50mm, 巷道变形相 比较小; 当区段煤柱宽度取 18m 以后时, 靠煤柱 侧 2703 巷 道 左 帮 位 移 37mm, 巷 道 右 帮 位 移 24mm, 巷道 顶 板 下 沉 量 为 28mm, 底 板 底 鼓 量 18mm, 巷道变形进一步缩小。 2． 4 不同尺寸煤柱塑性区分布特征及尺寸的确定