综放工作面沿空侧煤柱合理宽度留设研究

所属分类：建筑论文阅读次时间：2019-11-05 15:59

本文摘要：摘要:以夏店煤矿地质条件为基础，对3107综放工作面沿空侧煤柱内应力分布特征进行了研究，并对煤柱合理留设宽度进行了确定。理论计算3107综放面煤柱宽度应在23.55～27.97m范围内，通过数值模拟分析，确定煤柱留设宽度可取计算所得宽度的下限。综合考虑安全、

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　　摘要:以夏店煤矿地质条件为基础，对3107综放工作面沿空侧煤柱内应力分布特征进行了研究，并对煤柱合理留设宽度进行了确定。理论计算3107综放面煤柱宽度应在23.55～27.97m范围内，通过数值模拟分析，确定煤柱留设宽度可取计算所得宽度的下限。综合考虑安全、经济等因素，最终确定3107综放面沿空侧的煤柱宽度为25m。煤柱宽度比按工程经验留设的宽度减少了10m，不仅提高了煤炭资源的采出率，而且可大大提升矿井的经济效益。

　　关键词:综放工作面,应力分布特征,煤柱宽度,数值模拟

采矿与安全工程学报

　　目前，我国对于厚煤层及特厚煤层的开采，主要采用大采高开采和综放开采方式，而综放开采由于开采效率高、产量大的优点在煤矿得到普及。由于综放工作面回采巷道顶板及两帮通常均为煤体，巷道围岩强度较低，围岩变形量较大，需要在相邻工作面之间留设一定宽度的煤柱来保护巷道、减小围岩的破坏变形。

　　合理的煤柱宽度留设，不仅能保持巷道稳定，而且可以减少煤炭资源的浪费和经济损失。根据以往工程经验，在两工作面之间通常留设35m宽的煤柱，煤炭资源损失严重。本文通过对夏店煤矿3107工作面不同推进距离沿空侧煤柱内的应力分布特征进行研究，合理确定了煤柱的宽度，可大大减少煤炭资源的损失，对类似条件的工作面确定煤柱宽度，具有参考借鉴作用。

　　1矿井概况

　　夏店煤矿3107工作面现开采3号煤层，煤层平均埋深为300m，平均厚度为5.93m，倾角平均为3°，煤体容重1.35t/m3。工作面倾斜长度为187m，推进长度为960m，采用综采放顶煤开采，采高3.1m，放煤高度为2.83m，循环进度0.8m。3107工作面北侧为N101回风巷，南面为31采区大巷，西面为实体煤，东面为3117E采空区。

　　按照以往工程经验，3107工作面与3117E采空区需要留设35m宽保护煤柱，煤柱的承载情况及尺寸设计缺乏有效的依据，因此对3107工作面沿空侧煤柱变形失稳规律及煤柱留设的尺寸进行研究是非常必要的，也可为后续同类工作面巷道煤柱的留设提供借鉴。

　　2煤柱宽度理论计算

　　一般煤柱内应力稳定的区域，可认为是未受破坏扰动区域。工作面煤层开采以后，回采空间周围岩体的受力坏境会受到影响，直到形成新的平衡状态。对于护巷煤柱，顶板岩层在煤层开挖直到结构稳定，会对煤柱形成一定载荷，在其作用下煤柱表面区域多形成一定的屈服破坏区，支承压力由煤柱表面至深部大致呈现先增大后降低的趋势，直至达到原岩应力状态形成新的平衡[1-4]。

　　合理留设煤柱宽度是为了保证新巷道的安全，防止采空区内的瓦斯通过煤柱内的裂隙涌入巷道中，因此煤柱必须保证内部留有一定宽度的稳定核区，同时为提高煤炭资源回收率，应使煤柱宽度尽可能小。综合考虑影响煤柱稳定性的因素。

　　3煤柱宽度数值模拟分析

　　3.1模型建立

　　以3107工作面的地质条件为基础，应用FLAC3D软件，建立数值计算模型，模型尺寸为245m×120m×110m。在模型的四周与底面均设定为固定边界条件，模型顶部设为应力边界，通过施加均布载荷代替上覆岩层对模型的压力，3号煤层埋深平均为300m，施加载荷大小为8.65MPa，侧压系数取0.8。在煤柱宽度为35m条件下，分析3107工作面回采引起煤柱内应力的变化特征，由此来确定煤柱的合理宽度。模拟过程分步开挖，每推进20m计算1000步，回采至100m时计算至平衡。

　　3.2模拟结果分析

　　本次数值模拟计算3107工作面分别推进0m、20m、40m、60m、80m、100m时煤柱内的垂直应力分布情况，随着工作面推进距离的增大，煤柱受到的采动影响也在不断变大，煤柱内垂直应力大致为“双峰-谷”形态，垂直应力峰值分别在煤柱内的4m、31m处。

　　推进距离越大，煤柱内垂直应力峰值也在不断变大;留煤柱护巷的基本条件是煤柱在出现塑性破坏后，其中央应力稳定区域的宽度应不小于工作面采高的2倍，即弹性稳定区的宽度应不小于6.2m。满足弹性稳定区宽度的要求，该区域内煤柱垂直应力处于较低水平，煤柱受到的破坏扰动较小，承载能力较强，因此煤柱留设宽度取计算所得宽度的下限，即可满足工作面安全生产的要求。

　　4结语

　　1)本文以夏店煤矿3107综放工作面地质条件为基础，对采空区侧煤柱内应力分布特征进行了研究，通过理论计算，煤柱留设宽度应在23.55～27.97m范围内;2)通过数值模拟，煤柱留设区域内煤柱垂直应力处于较低水平，煤柱受到的破坏扰动较小，承载能力较强，属于弹性稳定区，煤柱留设宽度可取计算宽度的下限;

　　3)综合理论计算和数值模拟结果，并参照工程经验留设煤柱的宽度，为确保工作面回采时巷道的安全稳定，最终将煤柱留设宽度确定为25m;4)确定煤柱留设宽度为25m，相比按照工程经验留设的煤柱宽度减少了10m，不仅提高了煤炭资源的采出率，而且可提升矿井的经济效益。

　　参考文献:

　　[1]缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J].采矿与安全工程学报，2009，26(1):1-14.

　　[2]王文渊.潞安西部矿区深部煤层工作面合理煤柱留设研究[D].太原:太原理工大学，2014.

　　[3]王旭杰.大倾角特厚煤层综放开采区段煤柱合理尺寸优化与研究[D].太原:太原理工大学，2013.

　　[4]徐永圻.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2003.

　　煤矿方向论文投稿刊物：《采矿与安全工程学报》刊登主要内容有：岩石(岩体)物理力学性质与基本理论;采场岩层控制理论与技术;巷道岩层控制理论与技术;资源与环境协调开采(含煤矿绿色开采)技术;矿井深部开采技术;冲击矿压机理及防治技术;矿井通风;矿井瓦斯防治;矿井火灾防治;矿井水灾防治;矿尘防治;矿井热害防治等方向有较高学术水平和实用价值的最新研究成果。