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 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 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