沿空送巷小煤柱的留设及应用

沿空送巷小煤柱的留设及应用赵明强,华心祝,周华龙
(安徽理工大学资源开发与管理工程系,安徽淮南232001)
摘要:通过对沿空送巷小煤柱留设意义的分析认识,从煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论、极限平衡非圆形巷道的圆形标准化理论方面对祁东煤矿现场进行方案设计,对现场有较强的指导意义,具有一定的推广应用价值。

关键词:小煤柱;极限平衡;沿空送巷
中图分类号:TD823 文献标识码:A 文章编号:1008-8725(2008)01-0044-03
Retaining and Application of Small Coal-Pillar
ZHAOMing-qiang, HUA Xin-zhu, ZHOUHua-long
(Department of Resources Exploration and Management Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)Abstract:By analyzing and understanding the significance of small coal-pillar retaining , the programs aredesigned atQidong CoalMine according to coal stress of coal roadway ribs and limited equilibriumtheory, andthe circular standardized theoryof limited equilibriumnon-circular roadway. There are more direction signif-icances for field engineering. It has some value of generalization and application.Key words:small coal-pillar; limited equilibrium; sending roadways along goaf
0 前言
煤炭作为不可再生资源,随着不断的开采,煤炭资源也越来越显得宝贵。

合理的小煤柱尺寸不仅对提高煤炭采出率具有重要意义,而且关系到采区巷道能否稳定这一重要问题。

大量的现场实践证明,合理的小煤柱尺寸在很大程度上决定着该类巷道的稳定性。

目前许多煤柱尺寸的确定都采用经验类比法,甚至还有很多还采用宽煤柱护巷,大大地浪费了煤炭资源。

如何根据巷道围岩的具体条件,合理确定深井沿空巷道煤柱的尺寸,对于巷道安全和工作面正常生产具有重要的意义。

1 工作面地质条件
祁东煤矿3246工作面标高为-540~-618 m,工作面走向长909 m,倾向宽186 m。

地面平均标高2018 m; 32煤层厚116~216 m,平均煤厚2123 m,煤层厚度较稳定,靠近断层处煤层有变薄现象,煤层结构较复杂,含一层夹矸,夹矸为灰黑色泥岩,厚度0106~015 m。

伪顶局部存在泥岩伪顶,厚度为0~0137 m;直接顶局部深灰穑泥岩、粉砂岩,含铝质,致密块状,裂隙发育,含植物化石碎片,厚度2146~5187 m,平均厚度316 m;基本顶浅灰)灰白色细砂岩,致密坚硬,矿物成分以石英为主,次为长石和暗色矿物,硅质胶结,不显层理,裂隙发育,平均厚度为10127 m。

底板浅灰)灰色泥岩,致密碎块状及块状,厚度3128~7137 m,平均厚度为3179 m。

煤层有粉砂岩或泥岩伪顶,局部无直接顶。

2 祁东煤矿小煤柱留设
211 合理小煤柱尺寸确定方法
由于巷道围岩应力的复杂性和围岩力学参数难以准确测定,采用纯力学计算困难。

因此,文中将从工程实践和数值计算两个方面综合分析,从而准确确定合理的煤柱尺寸。

极限平衡理论设计的理论基础有两个:一是弹塑性理论;二是悬吊理论。

井下巷道的开挖工作,破坏了底层原岩应力的平衡状态,导致巷道周边岩体内应力的重新分布和集中。

如果巷道周边围岩的集中应力小于煤岩体强度,此时围岩的物理状态保持不变,煤岩体处于弹性状态;如果围岩局部区域的应力超过煤岩体强度,则这部分煤岩体的物理性质就要发生变化,巷道周围就会产生一定的极限平衡区,同时引起应力向围岩深部转移[1]。

212 合理煤柱宽度的确定[2]~[5]
为了避免固定支承压力或残余支承压力对巷道的影响,减小巷道围岩移近率以使巷道保持稳定,降低区段煤柱损失,区段平巷的护巷煤柱宽度应尽可能小一些。

在采用锚杆支护的区段平
巷,如果护巷煤柱过窄,由于高应力的作用,煤柱破裂而使锚杆可能安设在破碎围岩中,致使锚杆锚固力减弱,使其支护作用降低。

因此其合理煤柱宽度(见图1)。

图1 合理煤柱宽度
B=x1+x2+x3,x3=0115~0135(x1+x2) (1)
式中x1)))上区段开采在煤体内形成的极限平衡区宽度;
x2)))锚杆锚入煤体的深度,可以由巷道掘进时产生的破碎区和塑性区来确定;
x3)))安全系数。

(1)极限平衡区宽度
将煤体视为均质连续体(取整个处于极限强度范围内煤体作为研究对象),根据Mohr-Coulomb 准则和弹性力学可以求得极限平衡区宽度:
x1=MB2tanU0ln(KC0HcosAtanU0+2C0-MC0sinA)P2tanU02C0-MC0sinA2tanU0+PxB(2)
式中M)))区段平巷高度,m;
A)))煤层的倾角,(b);
B)))侧压系数,B=LP(1-L),L为泊松比;
U0)))煤体内摩擦角;
C0)))煤体粘聚力,kNPm3;
k)))应力集中系数;
H)))巷道埋深,m;
C0)))岩层平均体积力,kNPm3;
Px)))上区段平巷支架对下帮的支护阻力
(在采空区取0),kNPm。

对于3246工作面32煤,取L=013,B=01429,
C0=25 000 NPm3,M=216 m,H=639 m,C0=115@
106Pa,k=215,U0=32b,A=12b。

故可以求出极限平衡区宽度为x1=1198 m。

(2)掘进巷道极限平衡区宽度
掘进巷道围岩破碎区和塑性区的力学计算:根据弹塑性理论,两向等压下,圆形巷道围岩塑性区内的应力分布如图2所示。

图2 围岩应力分布和分区
11松动区(圈) 21塑性区31弹性区(应力升高) 41弹性区(原岩)在塑性区内,通常认为剪切应力造成岩石破坏,直到围岩应力小于或等于岩体的强度时,破坏才会停止。

以第三强度理论为准则,可以求得:
r=r0(ST+C0cotU0Pi+C0cotU0#1-sinU01+sinU0)1-sinU01+sinU0(3)
同时,根据应力协调条件:塑性区与弹性区分界面上应力相等,解出对应的塑性区半径R为
R=r0[(1-sinU0)P0+C0cotU0Pi+C0cotU0]1-sinU01+sinU0(4)
式中r)))破碎圈半径;
R)))松动圈半径;
ST=CHtanU0+C0
C0=1.5@106Pa,r0=2.4 m,Pi=0
由式(3)和(4)可知:原岩应力越大,岩体强度愈低,则围岩破碎区和塑性区半径愈大。

当Pi=0 时,破碎区和塑性区分别取最大值。

(3)巷道等效半径
由于目前岩石力学和矿山岩石力学的发展水平,非圆形巷道周围应力重新分布理论解析解还没有达到令人满意的结果,所以采用非圆形巷道的圆形标准化来确定巷道断面尺寸和形状的
影响问题,非圆形巷道圆形标准化分三步进行:
¹求当量半径
rs=kx(SPP)1/2(5)
式中rs)))巷道当量半径,m;
S)))轨道巷道断面面积,m2;
kx)))巷道断面修正系数,单斜边梯形巷道
取值为1125。

得出:rs=214 m。

º求外接圆半径
用几何作图法或解析计算方法作非圆形巷道的外接圆,用外接圆半径表示实际巷道的特征尺寸ry=2164 m。

»求巷道理论半径
比较求得当量半径和外接圆半径,以其小者作为巷道理论半径,即:r0=min{rs,ry} (6)
所以轨道巷理论半径为:a=2140 m。

求得R=4.2 m,r=3.1 m
(4)合理煤柱宽度
所以破碎区和塑性区宽度分别为:017 m,111m。

塑性区与破碎区宽度之和为118 m。

经计算,锚杆锚入煤体的深度为210 m,大于巷道煤体破碎区与塑性区宽度之和118 m。

故x1=1.98 m,x2=2.0 m,x3=012@(1198+210)=01796 m
所以合理煤柱宽度为:
B=x1+x2+x3=1198+210+018=4178 m
如果直接将锚杆锚在塑性区内而不要安全系数x3(核区),B=3198 m,取平均为4139U414 m,避开了倾向支承压力峰值影响范围,完全是合理的。

由于现场施工条件限制,3246沿空机巷留设煤柱3 m。

现场施工的设计方案为:采用锚网梁索支护,矩形断面,净高@净宽=412 m@213 m,净断面积1015 m2,掘进断面积1115 m2。

在回采时因受采动影响,压力较大,净断面积812 m2,掘进断面积1011 m2。

在施工期间沿空侧锚杆施工没有按设计要求施工,造成了小煤柱侧破坏,同时顶板下沉较大,不能保证巷道在回采期间正常使用所需要的断面。

如采用原设计留设4~5 m小煤柱,并按要求施工,应该能更好地保证巷道在掘进期间和回采期间的正常使用。

3 结语
(1)根据弹塑性理论,分析煤体极限平衡区受力情况,推导出了采场沿工作面倾斜方向极限平衡区距煤壁距离的计算公式。

据此公式结合具体条件,得出祁东煤矿3248工作面回采后在3246工作面沿空机巷侧的极限平衡区(塑性区)宽度为沿空机巷范围为1198 m。

(2)根据倾向支承压力分布规律研究成果,通过相邻工作面开采在沿倾斜方向煤柱中产生的极限平衡区宽度计算,及巷道围岩破裂范围的力学计算,对窄煤柱沿空掘巷的合理布置进行了研究,并计算了区段煤柱的合理尺寸为414 m。

总之,合理的小煤柱岩空掘巷不仅节省了大量的煤炭资源,而且对于现场采区巷道围岩控制也有重大的意义。

参考文献:
[1] 何满朝.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京:科学出版社,2004.
[2] 钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社,2003.
[3] 华心祝,马俊枫,许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及用[J].岩石力学与工程学报,2005,(3).
[4] 侯朝炯,李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J].煤炭学报,2001,(2).
[5] 朱川曲,王卫军,施式亮.综放沿空掘巷围岩稳定性分类模型及应用[J].中国工程科学,2006,(3).。