綜放工作面沿空側(cè)煤柱合理寬度留設(shè)研究

　　摘要:以夏店煤礦地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)3107綜放工作面沿空側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究，并對(duì)煤柱合理留設(shè)寬度進(jìn)行了確定。理論計(jì)算3107綜放面煤柱寬度應(yīng)在23.55～27.97m范圍內(nèi)，通過(guò)數(shù)值模擬分析，確定煤柱留設(shè)寬度可取計(jì)算所得寬度的下限。綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)等因素，最終確定3107綜放面沿空側(cè)的煤柱寬度為25m。煤柱寬度比按工程經(jīng)驗(yàn)留設(shè)的寬度減少了10m，不僅提高了煤炭資源的采出率，而且可大大提升礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

　　關(guān)鍵詞:綜放工作面,應(yīng)力分布特征,煤柱寬度,數(shù)值模擬

　　目前，我國(guó)對(duì)于厚煤層及特厚煤層的開(kāi)采，主要采用大采高開(kāi)采和綜放開(kāi)采方式，而綜放開(kāi)采由于開(kāi)采效率高、產(chǎn)量大的優(yōu)點(diǎn)在煤礦得到普及。由于綜放工作面回采巷道頂板及兩幫通常均為煤體，巷道圍巖強(qiáng)度較低，圍巖變形量較大，需要在相鄰工作面之間留設(shè)一定寬度的煤柱來(lái)保護(hù)巷道、減小圍巖的破壞變形。

　　合理的煤柱寬度留設(shè)，不僅能保持巷道穩(wěn)定，而且可以減少煤炭資源的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，在兩工作面之間通常留設(shè)35m寬的煤柱，煤炭資源損失嚴(yán)重。本文通過(guò)對(duì)夏店煤礦3107工作面不同推進(jìn)距離沿空側(cè)煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，合理確定了煤柱的寬度，可大大減少煤炭資源的損失，對(duì)類(lèi)似條件的工作面確定煤柱寬度，具有參考借鑒作用。

　　1礦井概況

　　夏店煤礦3107工作面現(xiàn)開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層平均埋深為300m，平均厚度為5.93m，傾角平均為3°，煤體容重1.35t/m3。工作面傾斜長(zhǎng)度為187m，推進(jìn)長(zhǎng)度為960m，采用綜采放頂煤開(kāi)采，采高3.1m，放煤高度為2.83m，循環(huán)進(jìn)度0.8m。3107工作面北側(cè)為N101回風(fēng)巷，南面為31采區(qū)大巷，西面為實(shí)體煤，東面為3117E采空區(qū)。

　　按照以往工程經(jīng)驗(yàn)，3107工作面與3117E采空區(qū)需要留設(shè)35m寬保護(hù)煤柱，煤柱的承載情況及尺寸設(shè)計(jì)缺乏有效的依據(jù)，因此對(duì)3107工作面沿空側(cè)煤柱變形失穩(wěn)規(guī)律及煤柱留設(shè)的尺寸進(jìn)行研究是非常必要的，也可為后續(xù)同類(lèi)工作面巷道煤柱的留設(shè)提供借鑒。

　　2煤柱寬度理論計(jì)算

　　一般煤柱內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定的區(qū)域，可認(rèn)為是未受破壞擾動(dòng)區(qū)域。工作面煤層開(kāi)采以后，回采空間周?chē)鷰r體的受力壞境會(huì)受到影響，直到形成新的平衡狀態(tài)。對(duì)于護(hù)巷煤柱，頂板巖層在煤層開(kāi)挖直到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，會(huì)對(duì)煤柱形成一定載荷，在其作用下煤柱表面區(qū)域多形成一定的屈服破壞區(qū)，支承壓力由煤柱表面至深部大致呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，直至達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)形成新的平衡[1-4]。

　　合理留設(shè)煤柱寬度是為了保證新巷道的安全，防止采空區(qū)內(nèi)的瓦斯通過(guò)煤柱內(nèi)的裂隙涌入巷道中，因此煤柱必須保證內(nèi)部留有一定寬度的穩(wěn)定核區(qū)，同時(shí)為提高煤炭資源回收率，應(yīng)使煤柱寬度盡可能小。綜合考慮影響煤柱穩(wěn)定性的因素。

　　3煤柱寬度數(shù)值模擬分析

　　3.1模型建立

　　以3107工作面的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，應(yīng)用FLAC3D軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為245m×120m×110m。在模型的四周與底面均設(shè)定為固定邊界條件，模型頂部設(shè)為應(yīng)力邊界，通過(guò)施加均布載荷代替上覆巖層對(duì)模型的壓力，3號(hào)煤層埋深平均為300m，施加載荷大小為8.65MPa，側(cè)壓系數(shù)取0.8。在煤柱寬度為35m條件下，分析3107工作面回采引起煤柱內(nèi)應(yīng)力的變化特征，由此來(lái)確定煤柱的合理寬度。模擬過(guò)程分步開(kāi)挖，每推進(jìn)20m計(jì)算1000步，回采至100m時(shí)計(jì)算至平衡。

　　3.2模擬結(jié)果分析

　　本次數(shù)值模擬計(jì)算3107工作面分別推進(jìn)0m、20m、40m、60m、80m、100m時(shí)煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布情況，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，煤柱受到的采動(dòng)影響也在不斷變大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力大致為“雙峰-谷”形態(tài)，垂直應(yīng)力峰值分別在煤柱內(nèi)的4m、31m處。

　　推進(jìn)距離越大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值也在不斷變大;留煤柱護(hù)巷的基本條件是煤柱在出現(xiàn)塑性破壞后，其中央應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)域的寬度應(yīng)不小于工作面采高的2倍，即彈性穩(wěn)定區(qū)的寬度應(yīng)不小于6.2m。滿(mǎn)足彈性穩(wěn)定區(qū)寬度的要求，該區(qū)域內(nèi)煤柱垂直應(yīng)力處于較低水平，煤柱受到的破壞擾動(dòng)較小，承載能力較強(qiáng)，因此煤柱留設(shè)寬度取計(jì)算所得寬度的下限，即可滿(mǎn)足工作面安全生產(chǎn)的要求。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　1)本文以夏店煤礦3107綜放工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究，通過(guò)理論計(jì)算，煤柱留設(shè)寬度應(yīng)在23.55～27.97m范圍內(nèi);2)通過(guò)數(shù)值模擬，煤柱留設(shè)區(qū)域內(nèi)煤柱垂直應(yīng)力處于較低水平，煤柱受到的破壞擾動(dòng)較小，承載能力較強(qiáng)，屬于彈性穩(wěn)定區(qū)，煤柱留設(shè)寬度可取計(jì)算寬度的下限;

　　3)綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，并參照工程經(jīng)驗(yàn)留設(shè)煤柱的寬度，為確保工作面回采時(shí)巷道的安全穩(wěn)定，最終將煤柱留設(shè)寬度確定為25m;4)確定煤柱留設(shè)寬度為25m，相比按照工程經(jīng)驗(yàn)留設(shè)的煤柱寬度減少了10m，不僅提高了煤炭資源的采出率，而且可提升礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

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　　煤礦方向論文投稿刊物：《采礦與安全工程學(xué)報(bào)》刊登主要內(nèi)容有：巖石(巖體)物理力學(xué)性質(zhì)與基本理論;采場(chǎng)巖層控制理論與技術(shù);巷道巖層控制理論與技術(shù);資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開(kāi)采(含煤礦綠色開(kāi)采)技術(shù);礦井深部開(kāi)采技術(shù);沖擊礦壓機(jī)理及防治技術(shù);礦井通風(fēng);礦井瓦斯防治;礦井火災(zāi)防治;礦井水災(zāi)防治;礦塵防治;礦井熱害防治等方向有較高學(xué)術(shù)水平和實(shí)用價(jià)值的最新研究成果。

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