沿空掘巷區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)探究

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1、沿空掘巷區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)探究　　中圖分類號：P57文獻標識碼：A文章編號：1007-0745（2013）09-0078-02摘要：針對某礦1726工作面回采期間巷道變形量大，礦壓顯現(xiàn)劇烈等問題，采用理論分析與FALC3D對不同煤柱尺寸應(yīng)力場分布規(guī)律進行了研究，得出了1726面與1728工作面區(qū)段煤柱的合理尺寸，為礦井煤層開采沿空掘巷窄小煤柱合理留設(shè)提供了理論和數(shù)據(jù)支持。關(guān)鍵詞：沿空掘巷區(qū)段煤柱合理尺寸煤柱留設(shè)一直是煤礦中傳統(tǒng)的護巷方法，為使下區(qū)段平巷避開固定支承壓力峰值區(qū)，在上區(qū)段運輸平巷和下區(qū)段回風

2、平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，是傳統(tǒng)的留煤柱護巷方法.大量實踐表明，煤柱尺寸的大小關(guān)系到回采巷道受動壓破壞的程度。合理的煤柱尺寸不僅減小巷道的變形，而且可以減小巷道維護工程量，同時還可以節(jié)約煤炭資源。5國內(nèi)外學者對煤柱合理尺寸確定的方法進行了很多研究，主要集中在：1）通過運用經(jīng)驗公式結(jié)合礦山壓力特點，對煤柱合理的尺寸留設(shè)煤柱尺寸的方進行研究；2）運用現(xiàn)場實測煤柱支承壓力分布規(guī)律確定區(qū)段煤柱合理寬度；3）根據(jù)煤巖體的極限平衡理論，推導出護巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)時的寬度計算公式4）用有限元計算軟件對煤柱護巷的圍

3、巖變形進行計算分析，確定煤柱合理尺寸；5）從采用極限平衡理論和彈塑性力學手段估算推導煤柱塑性區(qū)寬度的公式。本文以某礦1726工作面與1728工作面沿空掘巷區(qū)段煤柱為研究對象采用數(shù)值模擬與理論分析得出區(qū)段合理煤柱尺寸。1工作面概況某礦1728工作面上方地表位于井田北部，工業(yè)廣場東南側(cè)約600m。該工作面為36采區(qū)第3個回采工作面，上部為正在回采的1726工作面，下部為17210工作面（正在準備）該工作面采用走向長壁后退式開采方法，一次采全高綜采開采工藝。該工作面回風順槽與上區(qū)段1726工作面間的區(qū)段煤柱

4、寬度為5m。兩巷在工作面回采過程中，變形量非常大，給回采和巷道維護工作帶來很大困難。2沿空掘巷煤柱理論分析地下工程的開挖，煤柱周邊就會出現(xiàn)不同程度的塑性破壞。對于區(qū)段平巷的護巷煤柱，采空區(qū)側(cè)和回采巷道在煤柱兩側(cè)分別形成一個寬度為R0與R的塑性變形區(qū)，當煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)寬度R0與R之和大于煤柱寬度B時，也就是煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)相貫通時，煤柱將失穩(wěn)并發(fā)生破壞。因此，小煤柱的沿空掘巷不發(fā)生失穩(wěn)基本條件是：5煤柱兩側(cè)發(fā)生塑性變形后，塑性變形區(qū)沒有相互貫通，煤柱中央保持一定寬度的彈性核且處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。

5、根據(jù)極限平衡理論：R0=■ln■R=βr■2式中：m為煤層開采厚度，取3.5m；c為煤體交界面黏聚力，取6MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)λ=μ/（1-μ），其中μ為泊松比，取0.3，則λ=0.5；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，按實測最大值1.8計算；p為支架對煤幫的阻力。為煤體交界面內(nèi)摩擦角，取35°；γ為上覆巖層平均容重，取25KN/m3；h為開采深度，取600m；β取1.6，r為巷道半徑2m；σ為巷道的水平力，σ=λγh；經(jīng)計算，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度4.6m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度R0=3.2m，煤柱高度3m則區(qū)段煤

6、柱寬度B≥R0+2h+R=13.7m。3煤柱寬度數(shù)值模擬分析為確定合理的煤柱寬度，本文利用有限差分程序FLAC3D進行數(shù)值模擬。采用煤柱寬度分別為8、12、12、16等4個方案進行模擬。3.1模型建立建立FLAC3D三維計算模型，以某礦1728工作面和1726工作面地質(zhì)和開采技術(shù)條件為背景，進行數(shù)值模擬。模型沿傾斜寬150m，模型建立高度100m。沿走向長200m，模型中包括煤層及頂?shù)装鍘r層，煤層厚度3.5m，三維模型共劃分有3260005個三維單元，共378720個節(jié)點，模型上部施加垂直載荷模擬上覆

7、巖層的重量，底面限制垂直移動，模型側(cè)面限制水平移動。3.2數(shù)值計算分析煤柱應(yīng)力分布如圖1所示。（a）8m煤柱（b）10m煤柱（c）14m煤柱（d）16m煤柱圖1不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布由圖1分析得到不同寬度時煤柱破壞規(guī)律：（1）煤柱寬度為14m時，煤柱沿煤層面方向破壞較小，塑性開展區(qū)只在煤柱邊緣附近，當煤柱寬度大于14m時，煤柱越寬，煤柱未被破壞的范圍就越大，法向破壞高度就越低，因此煤柱就越穩(wěn)定。（2）煤柱寬度為8m時，塑性開展區(qū)貫穿整個煤柱，煤柱沿煤層面方向幾乎完全破壞，此時煤柱內(nèi)基本不存在彈性區(qū)，

8、煤柱強度急劇降低，不能有效保證工作空間及生產(chǎn)安全；煤柱寬度為10m時，塑性開展區(qū)占煤柱寬度一半以上，此時煤柱內(nèi)存在一定范圍的彈性核，不能完全有效保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。（3）當煤柱寬度從8m、10m時，煤柱全部進入塑性狀態(tài)，區(qū)段煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)單峰狀。當煤柱寬度為14m、16m、高于極限值后，煤柱需要承受的支承壓力較大，煤柱內(nèi)應(yīng)力水平較高，隨著煤柱寬度的減小到極限值時，煤柱已無法承受來自頂板的支承壓力，就會發(fā)生失穩(wěn)和破壞。5（4）當煤柱寬度為16m時，