综放回采巷道护巷煤柱合理留设分析.docx

综放回采巷道护巷煤柱合理留设分析侯纯刚 1 ,杨科 2( 1. 淮南矿业集团 潘北矿 ,安徽 淮南232001; 2. 安徽理工大学 资管系 ,安徽 淮南232001)摘 要 :结合综放开采留煤柱护巷巷道矿压显现特征 ,在分析煤柱力学效应及其与巷道围岩的关系基础上 ,运用弹塑性极限平衡理论得出护巷煤柱宽度的计算式 。研究表明 ,只要设计参数合理 ,施工质量满足 要求 ,给煤柱施加适当的支护阻力 ,现行锚杆组合支护技术就可以保证煤拄及巷道围岩的稳定 。关键词 :综放开采 ;回采巷道 ;煤柱宽度 ;弹塑性极限平衡理论中图分类号 : TD822 + 12文章编号 : 1005 2798 ( 2006 ) 05004702文献标识码 : B众所周知 ,综放开采由于一次开采煤厚增加所引起的围岩变形 、移动 、破坏等物理过程的不连续性 及围岩应力重新分布的非线性 ,留煤柱护巷的回采 巷道处于侧支承压力 、本区段回采形成的前支承压力和由于围岩变形引起的附加应力叠加 ,致使巷道 围岩应力环境更加趋于复杂 ,巷道矿压显现剧烈 ,煤 柱及巷道围岩的变形破坏严重 。研究和实践表明 , 在现行锚杆组合支护技术条件下 ,护巷煤柱宽度的 合理确定至关重要 。煤柱的合理留设可以提高煤炭资源采出率 、改善巷道围岩支护系统 、提高巷道围岩 稳定性 。因此 ,开展综放回采巷道护巷煤柱的合理 留设研究 ,对于促进综放安全高效开采及综放技术 的健康发展具有重要现实意义 。区 ,巷道支架或锚杆 (索 ) 荷载均下降 , 但巷道支架及围岩变形却是最剧烈 。该特点表明巷道围岩处于 岩石峰后的力学状态 ,更具有敏感性 。2 煤柱的力学效应分析2. 1 影响煤柱力学效应的因素分析随着煤柱尺寸的不同 ,煤柱上作用的载荷分布 、 围岩的约束状态将发生改变 ,煤柱的承载能力也将 发生变化 ,故不同尺寸煤柱的强度和稳定性与煤体自身的强度和开采环境相关 。研究表明 , 影 响煤 柱力 学 行为 的 因 素 包 括 4 : 煤体结构 、煤层中夹层的组成 、煤柱尺寸形状 、煤柱 与顶底板界面的结合力 、顶底板围岩的刚度 、地质构 造应力 、采场应力 、煤体的侧限力 、水渗流与侵蚀条 件等 。对于综放开采留煤柱护巷 ,煤柱的应力和变形主要取决于护巷煤柱的宽度 、巷道的支护形式和 断面形状 ,而煤柱的破坏主要是由于巷道开挖后应 力的重新分布及工作面回采的采动影响而产生的 。1 留煤柱护巷巷道矿压显现目前 ,对于综放开采留煤柱护巷的回采巷道 ,掘 进期间的矿压显现相对平稳 ,现行锚杆组合支护能 很好地控制该阶段巷道围岩的应力及变形 。由于所 留设煤柱基本处于破坏状态和巷道围岩所处的多元 应力环境 ,致使回采期间巷道矿压显现剧烈 ,具体表 现在 13 :1 ) 巷道围岩及支架变形沿走向或 倾 向均 具 有不一致性 。沿走向可划分为三个阶段 ,变形主要 发生在支承压力影响区内 ; 沿倾向巷道周边一定深 度围岩存在松动区 。2 )护巷煤柱及工作面煤体内支承 压 力峰 值 一般位于工作面前方 ,临近工作面位于应力降低区 。3 )临近工作面巷道围岩位于支承 压 力降 低由摩尔式 :- 库仑准则可以推导出 岩石 的 抗压 强度 公2= 3 tan +c( 1 )1式中 :1 为岩石的抗压强度 ; 3 为岩石的侧向围压 ;为剪切破断角 ,= + ; 为岩石内摩擦42角 ;c 为 围 压 3 = 0 时 的 单 轴 抗 压 强 度 ,=cco s2 c。1 - sin从上式可知 , 随着围压的增大 , 岩石的抗压强度收稿日期 : 200607 03作者简介 :侯纯刚 ( 1979 - ) ,男 ,安徽凤台人 ,助理工程师 ,从事技术管理工作 。煤 第 15 卷第 5 期47也增大 , 因此随着煤体内水平应力的升高 , 其抗压能力会增强 。由于煤岩的 c 值较小 , 若忽略 c 的影道支护系统具有良好的整体支护性能 ; 保证巷道围岩变形满足生产要求 ; 留设的煤柱尺寸应满足隔离 采空区 、防止漏风发火和挡矸要求 ; 应尽量减少煤炭损失 。2响 , 则有 1 /3 = tan , 这说明轴向压力与围压的比值对岩石的破坏和稳定影响很大 , 应该说比值越大 岩石越容易破坏 。煤柱在无 支护 的情 况下 , 极 限 强 度 很 低 , 见 图1 4 。假设巷道开挖后能及时支护且支护参数的选 取合适 , 那么支架将对煤柱有一个侧向的阻力 , 这个 阻力将能有效地提高煤柱的极限强度 ; 另外 , 如果在 上区段回采过后 , 能对煤柱保持一侧向阻力 , 也能提高煤柱的极限强度 。总之 , 支护阻力的存在将在很 大程度上起到加固煤柱的作用 , 并随这种阻力的不 断增加 , 煤柱极限强度也不断增加 。图 2 煤柱与巷道围岩结构关系3. 1 采空侧煤体屈服区宽度建立力学模型 ,见图 3。作如下基本假设 : 煤体 为均质 、连续和各向同性弹性体 ;煤体屈服前变形微 小且为轴对称平面应变 ;煤体受剪切而发生破坏 ,且满足 Moh r - Cou lom b准则 。应用弹塑性极限平衡理 论求得屈服区宽度为 :(y l co stan0 + 2C0 +M0 sin) M= 2 tan ln ( 2C +M sin) + 2 P tanx1000x 0( 2 )式中 : M 为 区 段 平 巷 高 度 , m ;为 煤 层 倾 角 ,( ) ;为屈服 区 与核 区界 面 处的 侧压 系 数 , =/ ( 1 - ) , 为泊松比 ; 0 为煤体内 摩 擦角 , ( ) ; C0 为煤体粘聚力 , M Pa ;y l为煤柱的极限强度 , M Pa ; 0 为煤体平均体积力 , M Pa ; Px 为冒落岩石 、支护 设施等对煤柱的侧向约束力 , M Pa。式 ( 2 )给出的是上侧煤柱 (上侧煤柱是指巷道 的上侧方是采空区 , 下侧煤柱是指巷道的下侧方是 采空区 )的煤体屈服区宽度计算式 , 故由式 ( 2 ) 可得 下侧煤柱的煤体屈服区宽度计算式为 :图 1 煤柱应力 - 应变的假想曲线2. 2 煤柱与巷道围岩关系分析留煤柱护巷时 , 煤柱一般位于采空区边缘的破 碎区内 , 是由工作面回采引起采空区边缘的直接顶 和老顶的跨落或旋转而造成的 。巷道开挖后 , 巷道周边应力向巷道两侧转移 , 在煤柱侧 , 这种转移更加 明显 , 在巷道掘进过程中 , 必将造成这一破碎区的应力重新分布 , 此时 , 煤柱承载能力不断下降 。对巷道 进行支护后 , 假设采空区对煤柱有一个有效的阻力 , 加上支架的作用 , 煤柱的承载能力有所上升 。因此 , 煤柱在整个巷道围岩的结构中 是最 为复 杂 的一 部 分 , 在它的两侧 , 已经存在不同程度的破坏 , 而这种破坏如果不及时 加 以控 制 , 煤柱 就极 易 失稳 , 见 图2 5 。对巷道而言 , 其顶部围岩是直接顶 , 两帮为煤 体 , 底部围岩一部分为煤体 , 一部分为直接底 , 由于 直接顶 (虽在一定程度上已经变形破坏 , 但强度仍 然较煤体的高 ) 和直接顶的强度都比煤体强度高 , 故从巷道的布置形式上看 , 巷道两帮和底部最容易 遭到破坏 。(y l co stan0 + 2C0 - M0 sin) M ( 3 )x1 = 2 tan ln ( 2C - M sin) + 2P tan00 0x0y 煤体强度 ; y l 煤体极限强度 ;Px 冒落岩石 、支护设施等对煤壁沿 x方向的约束力 ;xy 煤层面剪应力 ; M 巷道高度 ; x1 煤体屈服区宽度 ;煤层倾角图 3 采空侧煤体屈服区宽度计算(下转第 74页 )3 煤柱宽度的合理确定综放开采回采巷道采用小煤柱护巷 、锚杆组合 支护时 , 煤柱的合理 留设 应 遵循 以下 几 个原 则 6 : 保证煤柱及巷道处于相对较低的应力环境 ; 保证巷48 C oa l 5 / 2006响进度 。接地线的连接 ,接地端子的预留应符合规范要 求 ;外墙的金属门窗 、栏杆及屋面的金属大件部分防雷作为关键 ,搞好工序衔接 ,防止遗漏 ,设备外壳接 地应完善 。要求工作按程序进行 ,如所有电缆 、插接母线 、 导线 、设备必须经绝缘测试合格后方能送电调试 ,严 禁凭“经验 ”、凭“感觉 ”冒然送电 。重点检查吊顶内的线路 ,导线穿管敷设必须符合要求 。总之 ,在施工阶段质量控制方面要注意的细节 问题很多 ,要抓住关键点 ,重点检查和控制 。电气工程师也要不断积累经验和学习 ,与时俱进 。责任编辑 :魏晋英 (上接第 48 页 )为考虑生产扰动对煤体屈服区宽度的影响 ,在 公式中引入开采扰动系数 7 ,故煤体屈服区宽度的 通用公式如下 :煤柱实施有效的支撑作用是保证煤柱及巷道围岩稳定的关键 ,而采用提高支护阻力 (合理支护形式和 支护参数 ) 、加大采空侧对煤柱的侧向约束力是提 高巷道围岩和煤柱整体承载能力的有效途径 。2 ) 应用弹塑性极限平衡理论 ,综合分析得出 了综放开采护巷煤柱合理宽度的计算式及影响因素 间的关系 ,为煤柱的合理留设提供了理论依据 。3 ) 从技术经济角度考虑 ,合理护巷煤柱宽度 应小于使煤柱始终处于较高应 力状 态 时的 临界 宽度 ,同时煤柱宽度又要大于保证煤柱不被压垮 、不发 生裂隙向采空区漏风 、诱发自燃的最小煤柱尺寸 。(y l co stan0+ 2C0 M0 sin) dM= 2 tan ln ( 2C M sin) + 2 P tanx1000x 0( 4 )式中 : d 为开采扰动系数 , d = 1. 5 3. 0;“ + ”为 煤柱上侧 ;“ - ”为煤柱下侧 ; 其它参数同前 。3. 2 巷道围岩塑性区宽度巷道开挖后 , 围岩应力重新分布 , 为了便于理论 分析 , 作如下基本假 设 8 : 巷 道 处于 均匀 原 岩应 力 场中 , 为圆形巷道 ; 巷道围岩近似为煤体 , 为各向同 性 、均匀的连续介质 ; 变形在小范围内 , 为轴对称平面应变 。根据弹塑性理论求解得巷道围岩塑性区宽 度为 :参考文献 1 谢广祥 ,杨 科 ,常聚才 . 综放回采巷道围岩力学特征实测研究 J . 中国矿业大学学报 , 2006 , 35 ( 1 ) : 94 -98.石 平 五 , 许 少 东 . 综 放 沿 空 掘 巷 矿 压 显 现 规 律 研 究 J . 矿山压力与顶板管理 , 2004 ( 1 ) : 31 - 33.霍灵军 ,王 晨 ,黄汉富 . 小煤柱二次承压巷道的矿压 显现规律研究 J . 矿 山 压 力 与 顶 板 管 理 , 2002 ( 2 ) :78 - 80.吴立新 ,王金庄 , 郭增长 . 煤柱设计与监测 基础 M .徐州 :中国矿业大学出版社 , 2000.李学华 ,张 农 ,侯朝炯 . 综采放顶煤面沿空巷道合理 位置确定 J . 中国矿业大学学报 , 2000 , 29 ( 2 ) : 186 -189.贾光胜 ,康立军 . 综放开采 采准巷道护巷煤柱稳定性 研究 J . 煤炭学报 , 2002, 27 ( 1) : 7 - 10.吴立新 ,王金庄 . 煤柱宽度的计算公式及其影响因素 分析 J . 矿山测量 , 1997 ( 1) : 12 - 16.侯朝炯 ,郭励生 ,勾攀峰 . 煤巷锚杆支护 M . 徐州 :中国矿业大学出版社 , 1999. 2 H + C0 cot 01 - sin0 ( 1 - sin0 ) - 1R = r0 P2 sin0+ C coti00 3 ( 5 )式中 :为岩体平均体积力 , M Pa; H 为采深 , m;Pi 为支护阻力 , M Pa;0 为煤体内摩擦角 , ( ) ; C0 为 煤体粘聚力 , M Pa; r0 为巷道等效半径 , m。3.