3113工作面区段煤柱宽度优化与应用效果.pdf
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1、2023年第3 期江西煤炭科技473113工作面区段煤柱宽度优化与应用效果薛朝云(山西大平煤业有限公司,山西长治0 46 2 0 0)摘要:针对大平煤业工作面煤炭资源回采率低、巷道变形大及巷道维护费用高等问题,本文以大平煤业3 113 回风顺槽为工程背景,综合运用理论分析、数值模拟方法进行设计、优化,确定区段煤柱合理宽度为6 m,现场采用“非对称性”支护方案,有效控制了巷道围岩变形,达到了沿空掘巷支护效果,确保了3 113 回风顺槽的安全使用。关键词:区段煤柱宽度;沿空掘巷;围岩控制中图分类号:TD822+.3Design Optimization and Application of Sec
2、tion Coal Pillar Width in 3113 Working FaceAbstract:In view of the low coal resource recovery rate,large roadway deformation and high roadway maintenance cost at 3113ventilation crossheading of Daping Coal Industry Co.,Ltd.,the author determines the reasonable section coal pillar width is 6 mby theo
3、retical analysis and numerical simulation and proposes the asymmetric support scheme,which can effectively control thedeformation of the roadway surrounding rock with good support effect of gob-side entry and ensure the safety operation of 3113ventilation crossheading.Key words:section coal pillar w
4、idth;gob-side entry;surrounding rock control区段煤柱是指位于上下区段工作面之间,用来隔绝上区段采空区和支承上覆岩层压力以提高下区段工作面回采安全性的保护煤柱。区段煤柱尺寸的大小直接影响着工作面的生产安全、煤炭回采率和沿空巷道的布设位置1-。对此,国内外专家进行了大量研究,得到了一些有益的研究成果。徐慧刚综合运用理论分析和数值模拟确定了新元煤矿910 4工作面区段煤柱合理宽度为9m6。王慧林等通过对禾草沟煤矿50 2 0 5工作面回风巷矿压显现数据监测,基于支护强度及理论计算和数值模拟结果,得到最佳区段煤柱宽度为14m7。王茂荣基于对采空区侧向塑性区宽
5、度的计算和不同宽度下区段煤柱应力分布及巷道围岩变形特征的分析,确定了金达矿42 0 3 综放工作面区段煤柱最佳宽度为8 m8。上述研究成果为区段煤柱留设宽度的确定提供了方法参考和经验借鉴。大平煤业现主要开采3 号煤层,通常情况下,开采3 号煤层的工作面均会留设153 0 m宽的区段煤柱,造成大量宝贵煤炭资源滞留井下,且煤柱帮位移量达到3 2 6.8 2 mm,巷道围岩变形较大,严重影响了工作面安全高效生产。综合考虑各种因素,拟采用理论计算、数值模拟方法设计3 113 工作面区段煤柱合理宽度,并优化3 113 工作面回风顺文献标识码:AXue Chaoyun(Shanxi Daping Coal
6、 Industry Co.,Ltd.,Changzhi,Shanxi 046200)槽支护方案。1工程概况大平煤矿目前主采3 号煤层,煤层平均厚度3.6m,平均倾角5,埋深约18 2 m。煤层结构简单,赋存稳定。3 113 工作面位于一采区,东为三条采区大巷,西为边界煤柱,南为3 112 工作面采空区,北为实体煤区。3 号煤层直接顶为均厚3.8 m的砂质泥岩,老顶为均厚2.8 m的石灰岩,直接底为均厚5.7 m的泥岩,老底为均厚16.5m的细粒砂岩。设计3 113 回风顺槽长度为440 m,断面为矩形4800mm3100mm(宽高),沿3 号煤层底板掘进,如图1所示。3113运输顺槽3113回
7、风顺槽3112工作面采空区311回风顺槽图1工作面布置文章编号:10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 0 47-0 43113工作面护巷煤柱3112运输顺槽482火煤柱合理宽度确定2.1理论计算煤柱合理宽度指煤柱能支承上覆岩层压力保证自身稳定的前提下,尽可能减小煤柱宽度,以降低侧向支承压力对煤柱和巷道的影响,同时提高煤炭资源回采率2-4。由极限平衡理论可知,3 113 回风顺槽煤柱合理宽度计算模型如图2 所示,计算公式为5-7 ;B=x i+x 2+x 3mA1n2tangCPtangA式中:x,为采空区侧煤柱塑性区宽度,m;x2为弹性核区宽度,取0.2(i+x3);x3为巷
8、道煤柱帮锚杆有效支护长度,取2.0 m;m为巷道高度,取3.1m;A为侧压系数,取0.2;为煤层内摩擦角,取3 5;k为应力集中系数,取0.3;为顶板岩层容重,取20kN/m;H为巷道埋深,取18 2 m;C。为顶板岩石黏聚力,取5.8 MPa;C。为煤体黏聚力,取0.56MPa;P.为煤柱帮支护强度,取0.2 5MPa。将数据代人式(1)和式(2)求得采空区侧煤柱塑性区宽度x1=2.78m,弹性核区宽度x2=0.96m,则煤柱合理宽度B=5.74m,取6 m。B3112工作面采空区煤柱图2 煤柱合理宽度计算模型2.2数值模拟分析(1)数值模型建立为进一步确定3 113 回风顺槽护巷小煤柱合理
9、宽度,采用有限元FLAC3D数值模拟软件建立尺寸为2 0 0 m80m100m(长宽高)的数值计算模型,数值模型所采用的煤岩层物理力学参数如表1所示。模型边界条件为:四周固定水平方向位移,底部固定位移,顶部施加3.6 4MPa的均布载荷等效上覆岩层压力。模拟过程为:先开挖3 112 工作面,待工作面围岩变形稳定后,分别留设4m、5m、6m、7 m 和8 m宽煤柱开挖3 113 回风顺槽,以分析不同煤柱宽度下巷道围岩变形规律。江西煤炭科技表1煤岩层物理力学参数弹性体积内摩粘结抗拉岩石模量泊松比模量擦角力强度名称/GPa石灰岩8.65砂质泥岩13.343号煤层4.02泥岩15.26细粒砂岩6.35
10、(2)数值模拟结果与分析(1)模拟计算得出巷道围岩变形量随煤柱宽度的C。变化特征如图3、表2 所示。分析可知,煤柱侧巷帮kyH+tangXX2LX32023年第3 期/CPa/0.1216.520.1811.060.320.780.239.250.1516.58(2)位移量和巷道顶板下沉量与煤柱宽度正相关,实体煤侧巷帮位移量与煤柱宽度负相关。此外,煤柱宽度由4m增加至6 m时,煤柱侧巷帮位移量增大33.85%,实体煤侧巷帮位移量减小2 1.19%,巷道顶板下沉量增加6.0 5%;当煤柱宽度由6 m增加至8m时,煤柱侧巷帮位移量增加16.8 3%,实体煤侧巷帮位移量减小6.0 8%,巷道顶板下沉
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