回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用

1、第25卷第4期2008年12月采矿与安全工程学报JournalofMining&SafetyEngineeringVol.25No.4Dec.2008文章编号:167323363(2008)0420400204回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用奚家米,毛久海,杨更社,王进锋(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安710054)摘要:在总结、分析经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测等4种确定煤柱宽度方法优缺点的基础上,.产实际,分别对巷道开挖前后,不同煤柱宽度下围岩应力,21053工作面异型煤柱的有利条件,.经过对监测数据的分析、,结合数,.实践证明,采用现场实测和数值模、有效

2、的方法.关键词:;沿空掘巷;锚网索支护;矿压显现;变形分析中图分类号:TD322.3文献标识码:AMethodforDeterminingRationalPillarWidthinMiningRoadwayAlongGoafXIJia2mi,MAOJiu2hai,YANGGeng2she,WANGJin2feng(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,XianUniversityofScienceandTechnology,Xian,Shaanxi710054,China)Abstract:Onthebasisofsummingupadvantages

3、anddisadvantagesofmethodsfordeterminingthepillarwidthasaccordingtoexperience,theoreticalcalculation,numericalsimulation,andfieldmeasurement,weproposedanewmethodofusingfieldmeasurementsincombinationwithnumericalsimulationtodeterminepillarwidth.AccordingtotheactualproductioninShitanjingmine,wemeasured

4、andnumericallysimulatedthestressanddisplacementofthegatewayexca2vatingunderdifferentwidthsofcoalpillars.Throughanalyzingthemonitoreddata,therela2tionshipamongthestabilityofgateway,thestrengthofboltsupport,andthepillarwidthisstudiedandrationalpillarwidthinShitanjingmineproposed.Theexperimentshowsthat

5、themethodoffieldmeasurementincombinationwithnumericalsimulationtodeterminepillarwidthisfeasibleandeffective.Keywords:steeplyseam;drivingroadwayalonggoaf;bolt2mesh2cablesupport;groundpres2surebehavior;displacementanalysis保留煤柱宽度与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关,煤柱宽度选择的正确与否,对保证巷道稳定至关重要.我国目前部分煤矿仍存在依靠经验来确定煤

6、柱宽度,缺乏科学性和针对性,往往不是造成煤炭资源的浪费,就是巷道在掘进和回采过程中难以维护,甚至出现冒顶等事故.如何兼顾资源回收率和巷道稳定,合理确定煤柱宽度,一直是众多学者关注的焦点.收稿日期:2008203214基金项目:陕西省自然科学基金项目(2003E228)作者简介:奚家米(19742),男,安徽省芜湖市人,博士,讲师,从事岩土力学方面的研究.E2mail:xijmTel4期奚家米等:回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用4011合理煤柱宽度确定方法1.1沿空掘巷的最佳位置获取参数其代价有时是很昂贵的,所以理论计算结果在目前很少直接用于生产现场.3)数值模拟

7、软件因其具有很强的运算功能同时具有模拟不同地质条件、不同煤柱宽度甚至是不同支护强度下煤柱的受力、变形等状况,具有一定的优越性,但计算机模拟也对部分复杂条件进行了简化,同时存在参数取值的可靠性问题.4)现场实测是了解煤柱、支护结构受力、巷道变形状况最直接、最可靠的方法.通过现场测量,可以比较全面地掌握煤柱应力分布特点、回采对支护结构、,其、巷道变形等情况的监测(异型煤柱除外).作者认为,应根据煤层条件及诸多生产因素,采用现场煤体应力、巷道围岩变形测试和数值模拟结合的方法,确定合理煤柱宽度.近年来,众多学者及技术人员对沿空掘巷时煤柱宽度的确定及其矿压显现规律进行了研究和探讨125,提出了综放面沿空

8、巷道的“窄煤柱”力学模型和“宽煤柱”力学模型6.通常,在侧向存在采空区的情况下,煤体内存在侧向支撑压力,根据支撑压力分布,巷道可能布置的位置有3种(见图1).由煤体上方支承压力分布规律可以看出,在位置2掘进巷道,正处于支承压力高峰区巷道不易维护;在位置3掘进巷道,巷道比较容易维护,煤柱损失比较大;1巷道,可提高煤炭回采率,形量大.3柱称之为布置回采巷道而留设的煤柱称之为窄煤柱”.如何保证巷道避开支撑压力峰值区,是合理保留煤柱宽度研究的核心.2工程实践2.1数值模拟研究2.1.1数值计算模型图1巷道位置布置图Fig.1Positionoftunnel1.2煤柱宽度确定方法研究1.2.1煤柱宽度确

9、定方法目前主要有经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测4种方法.经验法主要现场技术人员根据生产经验来确定,缺乏科学性和针对性;理论计算法根据岩体的极限平衡理论推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式;数值模拟法是利用有限元计算软件对不同煤柱宽度下的巷道围岩变形、受力进行计算分析来确定;现场实测是通过在煤柱中安设测试仪器,实测煤柱体内支承压力分布、巷道围岩变形,对监测数据进行比较分析来确定.1.2.2煤柱宽度确定方法比较1)目前我国多数煤矿根据经验来确定煤柱宽模型尺寸为60m×90m×42m,底边界采用固定边约束,左、右边界水平方向固定,各岩层物理力学参数按实验室实测数据

10、计算(表1).运用FLAC3D软件,先对回风巷道未开挖时,21043采空区在21053采区煤体中形成的侧向支撑压力分布情况进行模拟,然后分别按煤柱宽度为3,6,8,12m时回风巷道围岩应力、变形情况进行模拟计算.表1岩石力学参数岩层中砂岩泥岩细砂岩煤层粉砂岩体积模量/GPa11.498.4910.860.3611.21剪切模量/GPa8.2646.4708.1001.4778.180容重/黏聚力/(Nm-3)MPa2570235025501307259012.446.8511.801.9912.12摩擦)角/(°28.628.429.027.729.5抗拉强度/MPa2.10.82.

11、20.182.6度,但由于影响煤柱力学行为的因素很多,仅以经验来确定煤柱宽度缺乏科学性和针对性.2)采用理论计算来确定煤柱宽度时,由于研究对象比较复杂,为了求解,建立的计算模型通常都被大大简化,很多因素(可能是重要的因素)被忽略,加之计算中很多重要参数无论是通过实验或是查表获取,其可靠性都无法保证.并且以实验方式2.1.2模拟结果分析1)侧向支撑压力分布情况受21043采空区顶板悬臂梁作用影响,21053采区煤层内应力重新分布,在煤柱内形成侧向支撑应力.图2为煤体上方支撑应力分布曲线,其中垂直主应力、水平主应力取自于假定煤柱宽度为0,1.5,3.0,13.5m时,巷道顶板中部的垂直主应力值、煤

12、柱侧帮中部的水平主应力.402采矿与安全工程学报第25卷形量明显减小,两帮围岩应力和变形趋于平衡.综上所述,由于受煤层倾角的影响,若采用窄煤柱(小于6m)护巷,巷道处于支撑应力峰值区内,煤柱内塑性区贯通,上帮及顶板变形量大,支护难度大,支护成本高.因此试验工作面保留最小煤柱宽度不宜小于6m.2.2工程概况图2煤层支撑应力分布曲线Fig.2Distributionofabutmentpressures由模拟结果可知,煤体内垂直主应力峰值出现在距采空区37.5m范围内,水平主应力远小于垂直主应力.当保留煤柱宽度小于3m时,即“窄煤柱”,此时煤柱仅仅起隔离工作空间和采空区的作用,本身不承受载荷;当保

13、留煤柱宽度为37.5m范围内时,巷道处于最不利受力状态;当保留煤神华宁煤集团石炭井二矿21053工作面回风巷道,巷道全长692m,巷道设计断面为矩形,宽度3m,高度2.7m.巷道所处十层煤,平均煤层厚度6.94m,27度,平,5.35,2.6m,下部为细2.5m.设计采用锚网索联合支护,顶板为<22左旋螺纹钢锚杆,长2.4m,树脂加长锚固,间排距为700mm×700mm;另顶板布置2根<15.24mm高强钢绞线锚索,长5.5m,间距1.2m,排距2.1m.巷道上帮布置2根<16圆钢锚柱宽度大于6m时,即“宽煤柱”,增大,2)、变形与煤柱宽度变化的关系如图3所示.杆,

14、下帮布置4根玻璃钢锚杆,锚杆长度2.0m,锚杆间排距为800mm×700mm.21053回风巷道上临21043工作面采空区,由于与21043机巷为不规则布置,形成异型煤柱,煤柱宽度620m.为研究沿空掘巷时煤柱宽度对矿压显现影响的规律,在南风巷共设置7个综合测站,主要监测巷道两帮移近量、顶板下沉量、锚杆、锚索受力,如图4.其中16号测站煤柱宽度分别为:17.5,14.3,12.4,10.5,8.5,6.4m.图3巷道围岩变化曲线Fig.3Displacementcurvesoftailentrysurface由图3a可以得出:巷道围岩应力值随煤柱宽度的增加总体呈下降趋势,而且由分散逐

15、步转化为相对均衡;当煤柱宽度为38m时,顶板应力值较大,3m时最大,12m时最小;当煤柱宽度为3m时,下帮应力值大于上帮,当煤柱宽度为68m时,上帮应力值大于下帮,当煤柱宽度为12m时,上、下帮应力值基本相等.图4风巷测站布置图(m)Fig.4Positionoftailentrymeasurement2.3现场监测数据分析由图3b可以得出:巷道围岩变形量随煤柱宽度的增加总体呈下降趋势,两帮变形量之和远大于顶板下沉;当煤柱宽度为38m时,上帮变形量大下帮,12m时,上、下帮变形量基本相等.由模拟结果可知,煤柱宽度为3,6m时,巷道围岩应力值相对较大且不均衡,特别是帮部应力呈现明显的非对称性,难

16、以支护,而且巷道围岩变形量大;煤柱宽度为8,12m时,巷道围岩应力值、变根据现场监测数据,分别得出了锚杆受力与煤柱宽度关系曲线(图5a),锚索受力与煤柱宽度关系曲线(图5b),两帮移近量、顶板下沉量与煤柱宽度关系曲线(图5c).由图5a,b可以得出:1)锚索、下帮锚杆受力随煤柱宽度增加而逐步减小,当大于12m时,顶板和下帮锚杆、锚索受力基本保持不变,上帮锚杆受力有所下降;2)顶板锚杆在煤柱宽度为810m时,出现应力峰值,其值达到52kN,上帮锚杆在煤柱宽度第4期奚家米等:回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用403为10m左右时,出现应力峰值,其值达到48kN;3)煤柱宽度小于12m时,上下帮

17、锚杆受力不均衡,大于12m时,上下帮锚杆受力基本相同.由图5c可以得出:1)两帮移近量基本随煤柱宽度增加而减小,当宽度大于12m时,两帮移近量基本保持不变.2)煤柱宽度8.5m左右时顶板下沉量最大,68.5m顶板下沉量随煤柱宽度的增加而增加;8.512m顶板下沉量随煤柱宽度的增加而减小;12m以后,顶板下沉量基本保持不变.数值模拟结合的方法来确定保留煤柱宽度,是一种科学、有效的方法,可以兼顾资源回收率和巷道稳定,实现煤矿安全、高效生产.参考文献:1柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究J.岩石力学与工程学报,2004,23(20):347523479.BAIJian2biao

18、,HOUChao2jiong,HUANGHan2fu.NumericalsimulationstudyonstabilityofnarrowcoalpillarofroadwaydrivingalonggoafJ.Chinese,2004,23),J煤炭科学技术,2004,32(10):59262.WANGYong2xiu,QIQing2xin,CHENBing.Anal2ysisondigitalsimulationforstressdistributionlawofcoalpillarJ.CoalScienceandTechnology,2004,32(10):59262.3查文华,谢广祥

19、,罗勇.锚网索支护在急倾斜煤层巷道中的应用J.矿业研究与开发,2006,26(6):51253.ZHAWen2hua,XIEGuang2xiang,LUOYong.Ap2plicationofbolt2mesh2anchorsupportandDevelopment,2006,26(6):51253.4黄庆享,董伯林,陈国红,等.急倾斜软煤巷道破坏机systemin图5受力值、变形量与煤柱宽度关系曲线Fig.5Therelationshipbetweentheforce,displacementandpillarwidthsteeplyinclinedseamroadwayJ.MiningRe

20、search通过对现场监测数据分析结合现场观测,可得出如下结论:1)煤柱宽度为610m时,顶板压力较大,部分锚杆或锚索因破断或脱锚而失效,煤柱破碎,巷道帮部变形大,上帮煤体沿接触面滑移明显,局部巷道需要进行补打锚索或设点柱进行二次支护.2)当煤柱宽度大于12m时,巷道掘进受采空区影响较小,巷道围岩受力均衡,变形小.2.4现场监测和数值模拟结果比较现场监测数据分析得出的合理煤柱宽度略大于数值模拟分析得出的结论,其原因主要有数值计算时对部分复杂条件进行了简化,同时存在参数取值的可靠性问题.因此,采用数值模拟初次确定保留煤柱宽度时,建议设计煤柱宽度要在模拟结果的基础上增加24m,确保巷道稳定和安全生产.理及锚网支护设计J.采矿与安全工程学报,2006,23(3):3332336.HUANGQing2xiang,DONGBo2lin,CHENGuo2hong,etal.Failuremechanism