同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱宽度设计分析_刘林.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 巷道是煤矿井下采煤的基础组成，而巷道掘进、 支护所耗费的时间和费用都普遍占到全矿生产成本 总费用的 30以上，而且采掘接替问题也是目前制 约矿井年产量的主要因素之一。为保证煤炭回收率， 现代化矿井设计巷道时必须尽量减小与采煤工作面 的距离， 但采煤动压影响与距离呈反比关系， 因此这 就需要在设计时寻找两者之间的一个平衡点。 1工程概况 同忻煤矿隶属于山西同煤集团， 是一座年产量超 过 1000 万 t 的国有特大型矿井，现有职工 1103 人， 井田面积 84.52km2， 可采储量为 8.47 亿 t。同忻煤矿 于 2007 年建成投产， 2010 年达产，现为同煤集团主 力矿井。该矿井 8310 工作面布置在三盘区辅运大巷 东北侧， 采用单一走向长壁式开采， 工作面停采线与 三盘区回风大巷之间需留设保护煤柱， 为避免巷道受 动压影响破坏，因此需要设计保护煤柱的合理宽度 （见下图 1 ） 。 本项目采用 “理论计算 数值模拟” 并参 照其他煤矿经验来确定最终煤柱宽度。 图 1本项目布置平面简图 2保护煤柱最小宽度理论计算分析 三盘区回风大巷沿煤层底板掘进， 净断面 5.2 （净 宽 ） 3.7 （净高 ） 19.24m2。本煤层平均厚度 14.13m， 倾 角 04， 为近水平煤层， 煤层埋深约 350m。老顶厚度 12.71m， 岩性为含砾粗砂岩、 细砂岩； 老底厚 5.18m， 为 细砂岩， 整体结构较完整， 便于大巷掘进。 2.1单位宽度保护煤柱强度估算 保护煤柱强度与诸多因素有关，包括煤柱尺寸、 煤层强度、 地质条件等等， 在此采用英国 Obert 学者 改进后的经验公式估算单位宽度煤柱支承强度 σ （见图 1 ） [1]， 根据该公式并参考其他煤矿经验， 在此计 算 4090m宽保护煤柱其单位宽度支承强度 （每增加 10m为一档 ） ， 数据见表 1。 σσc0.7780.222 a M σσ （1 ） 同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱宽度设计分析 刘林 （同煤国电同忻煤矿有限公司 ， 山西 大同 037000 ） 摘要 煤柱宽度是保护煤柱设计的最重要参数，直接涉及到煤炭回收率和能否有效保护巷道两个 矛盾体。 文章以山西同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱留设为例， 通过理论计算方法确定当保护煤柱 为 80m 时，煤柱所能承受应力强度大于平均应力，利用 FLAC3D 技术对三个不同煤柱宽度 （60m、 70m、 80m ） 进行了模拟分析， 得到 80m 宽最为合理。 关键词 回风大巷； 保护煤柱； 理论计算； 数值模拟； 分析 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0010-03 Design and analysis of the width of the protective coal pillar of the return air roadway in the third panel of Tongxin coal mine LIU Lin （Tongmei Guodian Tongxin Coal Mine Co., Ltd. , Datong 037000 ， China ） Abstract the width of coal pillar is the most important parameter in the design of protecting coal pillar, which is directly related to the two contradictions of coal recovery rate and whether the roadway can be effectively protected. In this paper, taking the protection coal pil- lar of the return air roadway in the third panel of Tongxin coal mine as an example, the theoretical calculation is used to determine that when the protection coal pillar is 80m, the stress intensity that the coal pillar can bear is greater than the average stress. The FLAC3D technology is used to simulate and analyze three different coal pillar widths 60m, 70m, 80m, and the 80m width is the most reasonable. Key words return air roadway; protective coal pillar; theoretical calculation; numerical simulation; analysis 10 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 式中 σc为 保护煤柱试件单轴抗压极限强度， 13.2MPa； a 为 保护煤柱宽度， m； M为保护煤柱高度， 14m。 表 1不同宽度保护煤柱单位宽度支承强度 2.2保护煤柱总载荷计算 三盘区回风大巷保护煤柱载荷 P 由两部分组成 巷道开挖后其上部岩层载荷 P1及采煤工作面顶板垮 落产生的侧向支承压力 P2， 其中 P1的计算公式见 （2 ） [2]所示。 P1ab γ H（2 ） 式中 b 为巷道宽度， 5.2m； γ 为 煤层上覆岩层平 均容重， 0.025MN/m3； H 为 煤层埋深， 350m。 采煤工作面顶板垮落产生的侧向支承压力 P2， 该 值与煤柱的支承压力大小有正比例关系， 而煤柱的支 承压力又由其单轴抗压极限强度 σc决定，因此相关 学者通过总结大量经验得出 P2计算公式， 见 （2- 3 ） [3]。 P2 （k- 1 ） a γ H（3 ） 式中 k 为 应力集中系数， σc＞25MPa， k 取 3； σc≤25MPa， k 取 2.5。 2.3 单位宽度保护煤柱平均应力计算 保护煤柱单位宽度平均应力 S 等于保护煤柱总 载荷 P （PP1P2） 与保护宽度的比值， 具体计算公式见 （4 ） [4]， 而不同保护煤柱宽度的单位宽度平均应力计算 成果见表 2。 SP a （4 ） 表 2不同宽度保护煤柱单位宽度平均应力 通过对比表 1、 表 2 的数据可知 ①随着保护煤 柱宽度逐渐加大， 单位宽度的强度在增加， 而平均应 力在减小， 煤柱宽度越大， 对巷道保护越有利； ②当煤 柱宽度不小于 70m 时，单位宽度煤柱的支承强度便 大于平均应力， 说明是合理的[5]。 因此通过理论计算最 终确定同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱宽度设计 为 80m。 3保护煤柱最小宽度数值模拟分析 为保证结果准确性， 本项目再利用 FLAC3D软件 对不同煤柱宽度条件下巷道应力变化情况进行模拟， 也可以在大体上展现出总体趋势[6]， 为工程施工提供 技术参考。 3.1模型的建立 本次模拟模型的参数如下煤层倾角为 0， 工 作面长度 350m， 宽 120m， 巷道高 3.7m， 宽 5.2m， x 轴 表示煤层走向， y轴表示煤层倾向， z轴表示煤层埋深 （见下图 2 所示 ） 。为方便计算， 模型上部采用均匀载 荷形式， 平均密度 ρ2000kg/m3， 部分岩石参数由试 验室测得， 具体数据见下表 3 所示。 表 3部分岩石物理力学参数 图 2模拟模型示意图 3.2模拟结果分析 结合理论计算和其他煤矿经验， 本次模拟的煤柱 宽度共有三个方案 60m， 70m， 80m，巷道为“锚杆 锚网” 支护。 1 ）保护煤柱宽度为 60m。由图 3 可知 当保护煤 柱设计宽度为 60m 时， 工作面推进至结束位置， 应力 集中区为工作面尽头煤壁、 顶板、 底板位置， 且越靠近 煤层其应力值越大； 而巷道围岩应力也远大于原岩应 力， 靠近工作面一侧巷道出现位移； 中间煤柱变形严 重， 超过 10m 宽度均为应力集中区， 受采动影响， 煤 柱承载应力由 18.5MPa 飙升至 31.6MPa， 煤柱有被压 垮的危险。 图 3保护煤柱宽度为 60m 时巷道围岩应力分布云图 2 ）保护煤柱宽度为 70m。由图 4 可知 当保护煤 柱设计宽度为 70m 时， 工作面推进至结束位置， 应力 集中区为工作面尽头煤壁、 顶板、 底板位置， 且越靠近 煤层其应力值越大，但相对于 60m 煤柱时应力小 保护煤柱宽度 （m ）405060708090 支承强度 （MPa ）18.6420.7422.8324.9227.0129.11 保护煤柱宽度 （m ）405060708090 平均应力 （MPa ）23.0122.7922.6322.5322.4422.38 岩层名称 密度 / （Kg/m3） 体积模量 /GPa 剪切模量 /GPa 抗拉强度 /MPa 内摩擦角 / （ ） 内聚力 /MPa 细砂岩250021.716.51.20343.3 粉砂岩275018.314.61.1293.0 石灰岩245019.013.11.05372.8 煤层20211812.20.8252.6 泥岩250010.24.00.8322.5 11 ChaoXing （上接第 9 页 ） 板下沉量稳定在 30mm以下， 两帮相对移近量稳定在 25mm以下， 巷道表面变形量很小， 支护效果良好， 成 功解决了掘进期间表面位移量过大的问题。 参考文献 [1] 刘江华.青洼煤业 2103 综放工作面回采巷道支护参数优 化[J].煤,2019,28 （12） 50- 51. 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[5] 关羽.中厚煤层断面巷道围岩优化支护方案的设计[J].机 械管理开发,2019,34 （05） 21- 2226. 作者简介 吴杨生 （1977-） ， 男， 山西榆社人， 2001 年毕业于河南理 工大学采矿工程专业， 工程师， 现在从事煤矿生产管理技术 工作。 （收稿日期 2020- 4- 13） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 15左右； 巷道围岩应力主要集中在顶底板， 靠近工 作面一侧巷道出现少许位移； 煤柱应力集中区在煤柱 中部位置，但强度比 60m 煤柱小且分散，约为 27.6MPa， 在巷道支护作用下虽然产生部分位移， 但煤 柱无压垮危险。 图 4保护煤柱宽度为 70m 时巷道围岩应力分布云图 3 ）保护煤柱宽度为 80m。由图 5 可知 当保护煤 柱设计宽度为 80m时， 工作面推进至结束位置， 应力 集中区为工作面尽头煤壁、 顶板、 底板位置， 且越靠近 煤层其应力值越大， 但相对于 70m 煤柱时， 应力降低 约 25左右； 巷道围岩应力主要集中在顶底板， 但强 度较小， 靠近工作面一侧巷道出现少许位移； 煤柱应 力集中区在煤柱中部位置，但强度比 60m、 70m煤柱 明显减小， 而且巷道另外一侧煤体也承受了一部分应 力， 平均为 21.2MPa， 加上巷道支护作用， 巷道变形不 明显， 满足回风要求。 图 5保护煤柱宽度为 80m 时巷道围岩应力分布云图 经过模拟分析， 当三盘区回风大巷保护煤柱设计 为 80m时，巷道所受到的应力值远小于煤柱的极限 应力， 完全可以承受采动影响， 因此该设计值是较为 合理的。 4结语 巷道是井下煤炭开采的重要基础， 在设计巷道时 必须要考虑巷道寿命问题， 若一旦出现损毁， 对煤矿 正常生产影响很大， 而且需要耗费大量人力物力财力 进行维修。本文采用理论计算和数值模拟， 均得出了 同忻煤矿三盘区回风大巷 80m 宽保护煤柱是合理 的， 而且通过试采， 也确认了巷道没有受到采动影响 而损坏， 从而保证了井下开采的顺利进行。 参考文献 [1] 史新帅, 宁建国, 王俊,等. 煤层群底部巷道围岩破坏机理 及控制技术[J]. 煤矿安全, 2016, 47 （7） 84- 87. 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