沿空掘巷区段煤柱合理尺寸的研究

1、沿空掘巷区段煤柱合理尺寸的研究    关键词:煤柱宽度;沿空掘巷;煤柱影响因素;弹性核 平煤十一矿22161风巷是沿22141工作面采空区沿空掘进的,为了提高煤炭的回采率和满足安全生产的需要,要对22161风巷煤柱进行计算,以确定合理的煤柱留设宽度。合理的煤柱宽度要求煤柱应具有以下功能:能有效支护煤柱上方的顶板,保证下一工作面回采时上巷掘进与安全维护;能有效阻止上一个工作面回采后产生的采空区积水涌入,以及冒落矸石窜入下一工作面;能有效阻隔向采空区漏风。保证煤柱具有上述功能的关键之一是留设的煤柱应有足够的稳定性,其中部应有一定范围的弹性“核”未遭受破坏。

2、1 巷道地质条件 巷道位于二水平己二采区西翼与22141机巷平行掘进,一边是22141采空区,另一侧是22161工作面实体煤,埋深平均为980米.煤厚410.0m,平均5.40m。煤层倾角为323°,平均12°。采面内煤层结构简单,仅局部存在0.10.3m后的泥岩夹层。煤层滑面构造发育,底部存在软分层煤,呈末状,整个煤层破坏类型为IIIII类。根据钻孔窥视仪结果煤层直接顶板为砂质泥岩或泥岩及砂质泥岩互层,厚1.53.1m,一般2.0左右,中间夹1至2层煤线,层理及节理发育,极易冒落。老顶为砂质泥岩或砂岩,厚14.018.0m,平均16.0m。煤层直接底为5.0m厚的泥岩,遇

3、水膨胀,老底为1.0m厚的灰岩。在22141机巷掘进过程中共揭露9条断层,落差一般1.03.5m,最大为6.0m。该面水文地质条件复杂。 2 煤柱力学模型及上部应力极限平衡区宽度的计算 2.1 力学模型 此巷道采用倒梯形设计,上帮高3470mm,下帮2700mm,宽度4400mm。采用锚网支护。设计支护方式如下图: 式中:L煤柱宽度,m;k安全系数;P作用在煤柱上的水压力,Mpa。 公式(6)是以材料力学中梁的理论为基础,考虑煤体的拉伸破坏而得出的。由于把煤柱简化成一个梁长为煤厚M(梁的纵向方向),而梁厚为煤柱宽度L(梁的横向方向),两端简支在煤层顶、底板上的梁同煤柱的实际情况不相吻合,因此,

4、衍生于梁弯曲基础上的最大拉应力超限的破坏条件也就不能成立。 2.3弹性区煤体内的最大应力和煤柱破坏的临界尺寸 由于煤柱沿着沿伸方向的尺寸远大于弹性区的高度和宽度,在远离端部的地方,可以把问题简化成应变仅发生在与坐标面xoy平行平面内的平面应变问题。图3所示。 图3是考虑弹性区煤体承受水压作用时的系统受力分析,图中1为作用在弹性区煤体上的平均矿山压力;x0为弹性区煤体与极限平衡区煤体间的水平应力;p为透过极限平衡裂隙区煤体作用在弹性区煤体一侧的水平压力(忽略极限平衡区煤体的降压作用)。 式(7)给出了矿压、水平压力联合作用下,弹性区煤体破坏的临界尺寸。可以看出:煤体身的物理力学性质以及水平压力p

5、,矿山压力(,K1)等对弹性区煤体临界尺寸都有影响。因此,缺乏矿压影响因素的现行计算公式必然导致煤柱实际留设中存在较大的偏差。 此外,煤柱同底板相交的4个角落部位是应力最集中的地方,破坏应首先从这里开始,继而波及整个煤柱,这同煤柱破坏的实验室试验结果完全吻合。 3 合理煤柱宽度影响因素分析 由上面分析,合理煤柱宽度应为L=x1 x2 L1,对于同一采区的同一煤层而言,式中参数0,0,M,可视为定值,煤柱宽度x1,x2随k,H,a之间的关系。 3.1 煤柱宽度与采动环境的关系 针对平煤集团十一矿22161工作面煤层条件,各参数取值见表1所示: 将表1中数值分别代入式,得到煤柱宽度随K、H的变化式

6、如下: 煤柱下侧塑性区尺寸随采动情况与采深呈近似抛物线关系。采深H较小时,直线斜率较大,而采深增大后,直线明显变缓,塑性区尺寸增加变慢。 在相同采深与相同的采动应力集中系数条件下,倾斜煤柱上下侧塑性区宽度呈明显的不均匀性,下侧塑性区小于上侧塑性区。对于H=980m,k=3的采动条件下,煤柱上下侧塑性区宽度之比x2 /x1=3.12/2.88=1.08,即上侧宽度是下侧宽度的1.08倍。 3.2 煤柱宽度与煤层倾角的关系     4 具体情况下沿空掘巷合理煤柱尺寸 不同煤柱留设宽度时,采动引起的采动应力集中系数k=2.09-3.29,对沿空掘进的巷道,掘进时机在上区段回采影响基本稳定时进行,此时上区段的动压系数取值k=3.0;而下区段在掘巷期间并没有受到动压的作用,此时掘进引起的应力集中系数可按k=1.1考虑。平均采深H=980m计,煤柱上下侧塑性区宽度分别为 x1=1.39mx2=2.71m 其中,X2为上侧工作面采动后对煤柱的破坏范围,这与实测结果塑性区为3.0m十分接近,证实了计算公式的可靠性。 因此,十一矿22161工作面沿空巷道合理的煤柱宽度L为:L=5.0m。 5 结论 参考文献 1陈科,柏建彪,朱琪.沿空掘巷小煤柱破坏规律及合理宽度的确定J,煤矿安全,2009年08期 2陈炎光 陆士良.中国煤矿巷道围岩