沿空掘巷區(qū)段煤柱合理尺寸的研究

1、沿空掘巷區(qū)段煤柱合理尺寸的研究    關(guān)鍵詞:煤柱寬度;沿空掘巷;煤柱影響因素;彈性核 平煤十一礦22161風(fēng)巷是沿22141工作面采空區(qū)沿空掘進(jìn)的,為了提高煤炭的回采率和滿足安全生產(chǎn)的需要,要對22161風(fēng)巷煤柱進(jìn)行計(jì)算,以確定合理的煤柱留設(shè)寬度。合理的煤柱寬度要求煤柱應(yīng)具有以下功能:能有效支護(hù)煤柱上方的頂板,保證下一工作面回采時(shí)上巷掘進(jìn)與安全維護(hù);能有效阻止上一個(gè)工作面回采后產(chǎn)生的采空區(qū)積水涌入,以及冒落矸石竄入下一工作面;能有效阻隔向采空區(qū)漏風(fēng)。保證煤柱具有上述功能的關(guān)鍵之一是留設(shè)的煤柱應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性,其中部應(yīng)有一定范圍的彈性“核”未遭受破壞。

2、1 巷道地質(zhì)條件 巷道位于二水平己二采區(qū)西翼與22141機(jī)巷平行掘進(jìn),一邊是22141采空區(qū),另一側(cè)是22161工作面實(shí)體煤,埋深平均為980米.煤厚410.0m,平均5.40m。煤層傾角為323°,平均12°。采面內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡單,僅局部存在0.10.3m后的泥巖夾層。煤層滑面構(gòu)造發(fā)育,底部存在軟分層煤,呈末狀,整個(gè)煤層破壞類型為IIIII類。根據(jù)鉆孔窺視儀結(jié)果煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖及砂質(zhì)泥巖互層,厚1.53.1m,一般2.0左右,中間夾1至2層煤線,層理及節(jié)理發(fā)育,極易冒落。老頂為砂質(zhì)泥巖或砂巖,厚14.018.0m,平均16.0m。煤層直接底為5.0m厚的泥巖,遇

3、水膨脹,老底為1.0m厚的灰?guī)r。在22141機(jī)巷掘進(jìn)過程中共揭露9條斷層,落差一般1.03.5m,最大為6.0m。該面水文地質(zhì)條件復(fù)雜。 2 煤柱力學(xué)模型及上部應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度的計(jì)算 2.1 力學(xué)模型 此巷道采用倒梯形設(shè)計(jì),上幫高3470mm,下幫2700mm,寬度4400mm。采用錨網(wǎng)支護(hù)。設(shè)計(jì)支護(hù)方式如下圖: 式中:L煤柱寬度,m;k安全系數(shù);P作用在煤柱上的水壓力,Mpa。 公式(6)是以材料力學(xué)中梁的理論為基礎(chǔ),考慮煤體的拉伸破壞而得出的。由于把煤柱簡化成一個(gè)梁長為煤厚M(梁的縱向方向),而梁厚為煤柱寬度L(梁的橫向方向),兩端簡支在煤層頂、底板上的梁同煤柱的實(shí)際情況不相吻合,因此,

4、衍生于梁彎曲基礎(chǔ)上的最大拉應(yīng)力超限的破壞條件也就不能成立。 2.3彈性區(qū)煤體內(nèi)的最大應(yīng)力和煤柱破壞的臨界尺寸 由于煤柱沿著沿伸方向的尺寸遠(yuǎn)大于彈性區(qū)的高度和寬度,在遠(yuǎn)離端部的地方,可以把問題簡化成應(yīng)變僅發(fā)生在與坐標(biāo)面xoy平行平面內(nèi)的平面應(yīng)變問題。圖3所示。 圖3是考慮彈性區(qū)煤體承受水壓作用時(shí)的系統(tǒng)受力分析,圖中1為作用在彈性區(qū)煤體上的平均礦山壓力;x0為彈性區(qū)煤體與極限平衡區(qū)煤體間的水平應(yīng)力;p為透過極限平衡裂隙區(qū)煤體作用在彈性區(qū)煤體一側(cè)的水平壓力(忽略極限平衡區(qū)煤體的降壓作用)。 式(7)給出了礦壓、水平壓力聯(lián)合作用下,彈性區(qū)煤體破壞的臨界尺寸?？梢钥闯?煤體身的物理力學(xué)性質(zhì)以及水平壓力p

5、,礦山壓力(,K1)等對彈性區(qū)煤體臨界尺寸都有影響。因此,缺乏礦壓影響因素的現(xiàn)行計(jì)算公式必然導(dǎo)致煤柱實(shí)際留設(shè)中存在較大的偏差。 此外,煤柱同底板相交的4個(gè)角落部位是應(yīng)力最集中的地方,破壞應(yīng)首先從這里開始,繼而波及整個(gè)煤柱,這同煤柱破壞的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。 3 合理煤柱寬度影響因素分析 由上面分析,合理煤柱寬度應(yīng)為L=x1 x2 L1,對于同一采區(qū)的同一煤層而言,式中參數(shù)0,0,M,可視為定值,煤柱寬度x1,x2隨k,H,a之間的關(guān)系。 3.1 煤柱寬度與采動(dòng)環(huán)境的關(guān)系 針對平煤集團(tuán)十一礦22161工作面煤層條件,各參數(shù)取值見表1所示: 將表1中數(shù)值分別代入式,得到煤柱寬度隨K、H的變化式

6、如下: 煤柱下側(cè)塑性區(qū)尺寸隨采動(dòng)情況與采深呈近似拋物線關(guān)系。采深H較小時(shí),直線斜率較大,而采深增大后,直線明顯變緩,塑性區(qū)尺寸增加變慢。 在相同采深與相同的采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)條件下,傾斜煤柱上下側(cè)塑性區(qū)寬度呈明顯的不均勻性,下側(cè)塑性區(qū)小于上側(cè)塑性區(qū)。對于H=980m,k=3的采動(dòng)條件下,煤柱上下側(cè)塑性區(qū)寬度之比x2 /x1=3.12/2.88=1.08,即上側(cè)寬度是下側(cè)寬度的1.08倍。 3.2 煤柱寬度與煤層傾角的關(guān)系     4 具體情況下沿空掘巷合理煤柱尺寸 不同煤柱留設(shè)寬度時(shí),采動(dòng)引起的采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)k=2.09-3.29,對沿空掘進(jìn)的巷道,掘進(jìn)時(shí)機(jī)在上區(qū)段回采影響基本穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行,此時(shí)上區(qū)段的動(dòng)壓系數(shù)取值k=3.0;而下區(qū)段在掘巷期間并沒有受到動(dòng)壓的作用,此時(shí)掘進(jìn)引起的應(yīng)力集中系數(shù)可按k=1.1考慮。平均采深H=980m計(jì),煤柱上下側(cè)塑性區(qū)寬度分別為 x1=1.39mx2=2.71m 其中,X2為上側(cè)工作面采動(dòng)后對煤柱的破壞范圍,這與實(shí)測結(jié)果塑性區(qū)為3.0m十分接近,證實(shí)了計(jì)算公式的可靠性。 因此,十一礦22161工作面沿空巷道合理的煤柱寬度L為:L=5.0m。 5 結(jié)論 參考文獻(xiàn) 1陳科,柏建彪,朱琪.沿空掘巷小煤柱破壞規(guī)律及合理寬度的確定J,煤礦安全,2009年08期 2陳炎光 陸士良.中國煤礦巷道圍巖