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近距离煤层工作面煤柱留设宽度及巷道合理支护参数探究

2020-11-23 433 上传者：管理员

摘要：为确定近距离煤层采空区下动压回采工作面区段煤柱合理宽度及巷道合理支护参数,以色连二矿12307工作面与12308工作面为研究背景,采用理论计算、数值模拟与现场应用相结合的研究方法对其进行研究,研究表明:理论计算及数值模拟确定煤柱宽度分别为22.48m、20m时,工作面围岩能够保持稳定;数值模拟及现场应用确定,煤柱宽度为20m时,煤柱处于上覆岩层铰接结构保护之下,内部支承压力较小,当巷道围岩顶板采用Ø20mm×2500mm,间排距为800mm×800mm的螺纹钢锚杆,采用Ø17.8mm×6300mm,间排距为1260mm×1600mm的钢绞线,巷道帮部采用Ø18mm×2000mm,间排距为750mm×800mm的玻璃钢锚杆支护时,煤柱及巷道能够满足安全生产需要。

关键词：
动压回采工作面
巷道压力
煤柱留设
煤炭资源
近距离煤层
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我国煤炭资源赋存丰富[1]，近距离煤层大量存在于各大矿区，如东胜煤田、淮南煤田[2]，随着经济的发展，我国资源日益受到重视的形势下，节约资源，精准开采成为主流[3]，近距离煤层条件下区段煤柱合理尺寸的确定逐渐成为研究重点[4,5,6]，许多学者对近距离煤层进行研究，徐青云[7]等学者通过研究近距离煤层底板压力传播规律进而确定底板巷道合理布置位置，为安全回采提供支持;贺中海[8]等通过对近距离煤层下区段小煤柱变形规律，支护技术等进研究行，确定了煤柱留设合理宽度;刘建都[9]通过相似模拟、数值模拟与理论分析相结合研究方法对不同宽度煤柱底板应力传播规律及煤柱变形情况进行研究，确定了近距离煤层区段煤柱合理尺寸。

许多学者对近距离煤层区段煤柱合理尺寸进行的研究提供了很好的参考，但均未对采空区正下方动压回采工作面影响下区段煤柱合理尺寸及巷道合理支护参数进行研究，本文通过理论计算、数值模拟及现场应用的研究方法对近距离煤层区段煤柱及巷道合理支护参数进行研究。

1、煤层群概况

色连二矿位于东胜区罕台镇，井田面积为105km2，主要开采2#、3#、4#、5#、6#煤层，2#与3#煤层层间距为20m,2#煤厚度为2.2m,3#煤层厚度2.6m，目前2#煤12206工作面已回采完毕，其正下方12307工作面准备回采，12308工作面为12307工作面北翼回采工作面，已回采完毕。为确定12307工作面与12308工作面区段煤柱宽度，采用理论计算、数值模拟与现场应用的研究方法对其进行研究，研究结果以期为类似工程背景工作面提供参考。

2、煤柱宽度计算

煤柱宽度可由煤柱载荷估算法[10,11,12,13,14,15]计算得出，煤柱所承受的载荷由采空区上覆岩层载荷及煤柱上方岩层载荷组成，煤柱宽度可由式(1)—(3)计算得出:

煤柱极限载荷计算公式(单位面积):

煤柱极限强度计算公式:

式中，B为煤柱宽度，m;D为煤柱侧开采宽度，取300m;H为埋深，取280m;δ为上覆岩层跨落角，按经验值取30°;Rc为煤单轴抗压强度，取22.3MPa;h为上覆岩层裂隙带高度，取15m;γ为平均容重，取25kN/m3;代入相关参数计算可得B≥22.48m。

3、数值模拟

3.1 模型建立

根据煤层综合柱状图，利用FLAC3D数值模拟软件，建立了长×宽×高=600m×300m×100m的数值模拟模型，模型共划分502859个网格，518721个节点，模型顶部施加7.2MPa的原岩应力，模型底部及四周固支，限制应力及位移，模型如图1所示，物理模型如图2所示，各岩层物理力学参数见表1。

图1数值模拟模型

图2物理模型

表1地层煤岩物理力学参数

3.2 模拟方案过程

根据区段煤柱宽度不同建立4个数值模拟模型;原岩应力赋值后初始平衡;掘进12206工作面巷道并回采12206工作面;掘进12308工作面巷道并回采12308工作面;掘进12307工作面巷道并对工作面进行回采;模拟结果分析。

3.3 模拟结果分析

12307工作面前方0m处不同宽度煤柱塑性区如图3所示，当煤柱宽度为30m时，12307工作面运输巷侧煤柱塑性区宽度为3m，煤柱塑性区宽度为8m，塑性区宽度仅占煤柱总宽度的26.66%，说明煤柱稳定性好;当煤柱宽度为25m时，12307工作面运输巷侧煤柱塑性区宽度为4m，煤柱塑性区宽度为11m，塑性区宽度仅占煤柱总宽度的44%，说明煤柱稳定性好;当煤柱宽度为20m时，12307工作面运输巷侧煤柱塑性区宽度为4m，煤柱塑性区宽度为11m，塑性区宽度仅占煤柱总宽度的55%，未超过煤柱失稳宽度，说明煤柱稳定性好;当煤柱宽度为15m时，煤柱塑性区宽度为15m，塑性区宽度占煤柱总宽度的100%，说明煤柱已失稳;由此可知，当煤柱宽度大于20m时，煤柱能够保持稳定。

图3煤柱塑性区云图

不同宽度煤柱内部应力曲线如图4所示，当煤柱宽度为30m时，煤柱应力曲线呈马鞍型分布，煤柱应力峰值为17.36MPa，应力集中系数为2.41，弹性核宽度为12m，说明煤柱内部支承压力较大，但能够保持稳定;当煤柱宽度为25m时，煤柱应力曲线呈平台型分布，煤柱应力峰值为15.84MPa，应力集中系数为2.2，弹性核宽度为10m，说明煤柱内部支承压力较大，但稳定性强;当煤柱宽度为20m时，煤柱应力曲线呈孤峰型分布，煤柱应力峰值为10.69MPa，应力集中系数为1.84，说明煤柱处于上覆岩层铰接结构保护之下，煤柱内部支承压力较小，煤柱稳定性强;当煤柱宽度为15m时，煤柱应力曲线呈孤峰型分布，煤柱应力峰值为9.50MPa，应力集中系数为1.32，说明煤柱内部支承压力较小，煤柱大部分已发生塑性破坏，煤柱稳定性降低;综合以上分析，说明当煤柱宽度为20m以上时，煤柱能够保持稳定。

图412307工作面区段煤柱应力曲线

为确定区段煤柱宽度为20m时，12307工作面运输巷稳定性，对12307工作面回采巷道采用设计的支护方案支护后围岩稳定性进行分析，巷道支护方案采用工程类比法确定，支护方案见表2。12307工作面前方30m处运输巷围岩塑性区如图5所示，在相邻工作面及本工作面采动影响下，巷道顶板塑性区破坏深度为1m，小于锚杆锚固深度，底板破坏深度为2m，底鼓较为严重，煤柱侧巷道帮部破坏深度为1m，小于锚杆锚固深度，顶底板肩窝处局部破坏深度达2m,12307工作面侧巷道底板肩窝处破坏深度为2m，主要原因为底鼓量较大，使得肩窝处剪切破坏，综合以上分析，对巷道底板进行喷浆加固后，采用原设计的方案能够满足巷道稳定性要求。

图512307工作面运输巷塑性区云图

4、矿压监测

12307工作面运输巷采用的具体支护方案见表2，并在巷道底板喷200mm厚混凝土支护后的围岩变形曲线如图6所示，巷道掘进后的140d内，巷道顶底板最大移近量为16.54mm，两帮最大移近量为15.03mm。巷道在掘进40d后变形趋于稳定，掘进60d后，顶底板相对移近量超过两帮移近量，说明巷道底板压力增大，底鼓趋势增加，但巷道总体变形量满足安全使用要求，说明所设计的方案能够满足工作面安全生产需要。

表2巷道支护方案

图6围岩变形监测曲线

5、结论

1)通过理论计算的研究方法确定近距离煤层采空区下动压回采工作面区段煤柱合理宽度为22.48m时，围岩巷道能够在上、侧方动压工作面影响下保持稳定。

2)经过数值模拟的研究方法确定煤柱宽度越小，塑性区宽度占比越大，当煤柱宽度大于20m时，煤柱能够保持稳定;随着煤柱宽度的增加，煤柱弹性核宽度增大，煤柱煤柱内部应力曲线呈“孤峰型-平台型-马鞍型”分布;当煤柱宽度为20m时，煤柱处于上覆岩层铰接结构保护之下，煤柱内部支承压力较小，煤柱能够保持稳定。

3)采用数值模拟与现场应用的研究方法确定，当煤柱宽度为20m时，巷道围岩顶板采用20mm×2500mm，间排距为800mm×800mm的螺纹钢锚杆;17.8mm×6300mm，间排距为1260mm×1600mm的钢绞线，帮部采用18mm×2000mm，间排距为750mm×800mm的玻璃钢锚杆支护时，巷道顶底板最大移近量为16.54mm，两帮为15.03mm，围岩变形量较小，说明所研究的区段煤柱宽度及巷道支护参数能够满足工程应用;巷道掘进影响期为40d。

参考文献：

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