厚煤层分层开采的巷道外错式布置研究.pdf

第 2 4卷第 1期 2 0 0 4年 3月 山西煤炭 S HA NXI C oAI ． Vo 1 ． 2 4 No ． 1 M a r ．2 0 0 4 技 术研 究 文 章编 号 1 6 7 2 5 0 5 0 2 0 0 4 0 1 0 0 1 8 0 3 厚煤层分层开采的巷道外错式布置研究 李宝富， 康立勋， 翟英达 太原理 工大学矿业工程学院 ， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 摘要 论 证 了巷 道 外 错 式 布 置 技 术 的 可 行 性 ， 厚 煤 层 分 层 开 采 采 用 外 错 式 巷 道 布 置 方 式 时 ， 回 采 巷 道 煤 柱 整 体 进 入 塑 性 状 态后 ， 煤 柱 所 受 支 承 压 力 会 随 着 煤 柱 宽度 的 减 小 而 减 小 。 关 键 词 分 层 开 采 ； 外 错 式 巷 道 ； 塑 性 煤 柱 中 图 分 类 号 TD 8 2 3 ． 2 5 3 文 献 标 识 码 A 1 分层开采巷道布置方式 我 国是煤炭 资源非 常丰富的 国家 ， 煤厚 大于 5 m 以上厚煤层 占总储量 的 4 5％ j 。开采缓倾斜厚 煤层可采用分层开采 ， 目前我 国多采用倾斜分层下 行垮落采煤方法 。厚煤层分层开采时在每个 区段 中 除了区段上 、 下都有集 中回风平巷及集中运输平巷 之外 ， 各 分层还 应有 分层 回风平 巷 及分 层运输 平 巷 。 分层平巷布置方式可采 用内错式和外错式布 置 ， 如图 1所示 。 凰采巷道 b a 一 内错式巷道布置 ； b 一外错 式巷道 布置 图 1 分层平巷布置方式 内错式是下分层平巷在上分层工作面的内侧 ， 形成正梯形煤柱 ， 由于煤柱尺寸愈到下面愈大 ， 工作 面也随之缩短。但巷道在假顶下掘进 ， 易于掘进 及 维护 外错式 是下分层平 巷在上分 层工作面 的外 侧 ， 煤柱成倒梯形 ， 愈到下分层煤柱 尺寸愈小 ， 工作 面长度愈大， 一般认为 ， 外错式布置方式是将巷道布 置在上分层的煤柱下 ， 使得 巷道 围岩处于支承压力 作用 区， 对巷道维护不利 ， 所 以很少采用 。事实上 ， 分层开采采用巷道外错式布置 ， 可 以最大限度地保 证工作面的长度 ， 充分发挥综采设备的优势 ， 减少资 源损失 ， 提高煤炭回采率 。 2 煤柱宽度的选取 煤层开采期间， 采空区上覆岩层发生运动 ， 在 回 采空间周 围形成支承压力。为了减轻或避免巷道遭 受采动的影响 ， 长期以来 一直采用在巷道与 回采空 间之间保 留煤柱的方法 ， 以保护巷道 。 一 般情况下煤柱在受到回采 引起的支承压力作 用后 ， 煤柱 的变形区为破裂 区 为破裂 区宽度 、 塑性区 z 为 塑性区宽度 和弹性区_ 3 J ， 见图 2所示。 I 一 破裂 区； Ⅱ一 塑性 区 ； Ⅲ一 弹性 区 弹性 核 图 2两侧 采空煤柱 变形 区及垂直 应力分布 根据煤柱宽度 的大小不 同， 煤柱 中间部分会 出 现一个大小不 同的弹性核 ， 这个弹性核 是煤柱稳定 和承载能力的保证。若 弹性核 的宽度等于零 ， 煤柱 收稿 日期 2 0 0 3 1 1 2 3 作者简介 李宝 富 1 9 7 7一 ， 男 ， 河北抚宁县人 ， 在读硕士研究生 ， 主要从事矿山压力与顶板控制研究 。 维普资讯 第 1 期 李宝富等 厚煤层分层开采的巷道外错式布置研究 1 9 将完全处于塑性状态 ， 即煤柱进入整体屈服状态 ， 煤 柱依然会保持稳定， 但是煤柱所受的支承压力就会 有一部分发生转移 。 对于大巷的护巷煤柱 ， 煤柱 中心应有一个保持 煤柱稳定的弹性核 ， 取核 t 2 , 区宽度等于 1 ～2 ， h 为煤柱高度 ， 煤柱 的宽度 为 B 2 n 1～ 2 h ； 对于回采巷道煤 柱， 为 了使其整体屈服 ， 以便 使巷道顶板压力转移 ， 可取核心区宽度等于零 ， 使煤 柱两侧塑性区连在一起 ， 回采巷道煤柱宽度为 B 2 o 或 B 2 0 。 煤柱的塑性 区宽度 0可运用岩体 的极 限平衡 理论求得 ， 方程式为 一 - n ， ㈩ 如 _ 『 ’ 【 1 式 中 K 应力增高系数； y H 自重原岩应力 ， MP a ； P 1 支架对煤帮的阻力 ， k N； M 煤层开采厚度 ， m； C 煤体的粘聚力 ， MP a ； 煤体的内摩擦角， 。 ； 厂 煤层与顶底板接触面的摩擦系数 ； 三轴应力系数， 1 L n q ／ 1 一s i n q 。 分层开采巷道采用外错式布置时， 上分层 回采 巷道煤柱应进行优化设计 ， 煤柱宽度选取 时最好满 足 B 2 3 2 ， 这样上分层煤柱完全处于塑性状态， 同时又具有一定的宽度 ， 使下分层巷道有足够 的空 间进行外错。下分层 回采巷道煤柱在确定最小宽度 时， 既要保持煤柱的稳定性， 又要使回采巷道的变形 量不要过大。 3 巷道外错式布置实例 潞安矿业集团五阳煤矿缓倾斜厚煤层采用的是 倾斜分层下行 垮落采煤方法 ， 下分层 的部分工作面 回采巷道采用了外错式布置方式 ， 取得 了较好 的技 术效益和经济效益。五阳煤矿位于山西省长治市襄 垣县内 ， 在潞安 矿 区的北部 ， 煤层倾 角一般 为 1 0 。 ， 煤层厚度稳定 ， 平均厚度为 6 ． 3 9 m， 属 缓倾 斜厚 煤 层 ， 煤层埋藏最深 3 7 3 ． 3 m， 最浅 3 1 0 m， 平均为 3 2 5 m。为了给下分层开采创造有利 的条件 ， 上分 层在 开采时对区段护巷煤柱进行 了优化设计。上分层煤 柱优化设计的指导原则是煤柱宽度适 中， 并且煤柱 整体进入塑性状态。这样下分层 回采巷道采用外错 式布置时， 巷道围岩所受支承压力不会随着煤柱宽 度的减小而急剧增加 。 确立式 1 中各个参数的取值 ， 就可以求出五阳 矿煤柱的塑性 区宽度 。煤层开采厚度 M 为6 ． 3 9 m； 支架对煤 帮的阻力一般可以取值 P 0 。 在现场原 岩参数 的基础上确定了 3 号软煤的粘聚力 c2 ． 5 2 MP a ， 内摩擦角 3 0 。 ； 煤层与顶底板接触面的摩 擦系数一般 为 f t g q ／ 4 ， 三轴应力系数 1 s i n ／ 1一s i n ； 煤 层 上覆 岩 层 的 容重 y 2 4 k N／ m ， 五阳矿 3号煤的平均埋深 为 3 2 5 m， 自重原 岩应力 7 ／ - ／ ≈ 7 ． 8 MP a ； 当煤柱两侧采空 时， 应力增 高系数 K 可达 7～8 ， 取 K为 7 进行计算。 求得塑性 区宽度 o 1 1 ． 1 m， 煤柱宽度 B≤ 2 n ， 煤柱整体 进入塑性状态 ， 所以当煤柱宽度为 2 2 m时煤柱整体 进入屈服状态。 为了给下分层巷道外错布置作好准 备 ， 上分层煤柱宽度不宜过小 ， 故此确定上分层煤柱 宽度为 2 2 m。 现场统计资料表明 ， 五阳矿护巷煤柱宽度为 8 m时 ， 巷道变形量非常大， 难以进行有效支护 ， 但煤 柱宽度为 1 0 m时 ， 与煤柱 8 m相 比回采巷道的变形 量减小了近将 1 倍， 故此确定下分层煤柱的最小宽 度应为 1 0 m。这样巷道外错 的最大距离为 6 m， 巷 道布置如图 3所示 。 图 3五 阳 矿 巷 遭 外 话 式 布 置 图 下分层煤柱上所受支承压力并不是随着煤柱宽 度的减小而急剧增加 ， 相反下分层煤柱所 受支承压 力随着煤柱宽度 的减小而减小。这是因为煤柱完全 进入塑性状态后 ， 煤柱 的宽度和支承压力 的应力增 高系数 K 变化趋向一致 ， 五阳矿塑性煤柱宽度和应 力增高 系数 K 之间的具体对应关 系见表 1 。 表 1 K和 0 对应表 通过表中数据可知 ， 当下分层煤柱宽度减小时 ， 下分层煤柱所受支承压力也相 应减小 ， 巷 道围岩所 受压力不太大， 只要选取合理 的支护方式 以及支护 强度 ， 巷道围岩的稳定性是完全可以控制的。 分层开采巷道采用外错式布置可以带来 巨大的 经济效益 。以每条回采巷道外错 6 m， 工作面长 7 0 0 m计算 ， 下分层每个工作面大约能够 下转第 2 2页 维普资讯 山西煤炭 第 2 4卷 有很大的不确定性 ， 对其分类采用 R MR专家 系统 分析的方法 ， 可以充分利用数据信息资源 ， 提高了分 类的准确性 。 b ． 定量化 。通过有效的理论对采场来压步距及 强度进行估算 ， 避免了过分依赖矿压观察经验的弊 端， 可以对未采区域和采用其他采煤方法 的顶板进 行预测和分类。提高了分类的普遍性和适用范围。 C ． 计算机化 。利用专门的矿压软件作为分类 的 主要计算工具 ， 有效地对庞杂的数据进行分析汇总 ， 提高了分类的科学性和时效性 。 d ． 实用性 。结 合顶板类型及来压等级 ， 对巷道 及工作 面支护提供参考选择方案 ， 以指导矿井优化 设计和施工。 3 结论 顶板分类是建设数字化矿山的前提条件 ， 科学 实用的分类方法 ， 有助于设计 部门掌握顶板活动规 律 ， 提高决策的科学性和预见性 ， 促进矿井的安全生 产。当然， 顶板分类不是一成不变的万能钥匙 ， 由于 矿井地质因素的复杂多变 ， 应对分类作相应适时调 整 ， 才能进一步指导生产实践。 参考文献 1 ] 煤 炭工业部 ． 缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类 [ M]北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 8 2 2 贾喜荣． 矿山岩层力学[ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 9 7 ． Ca t e g o r i z i ng M e t ho d a n d Cha r a c t e r i s t i c s s e e m Ro o f i n S he nd o n g M i n i ng Ar e a LI U W e n ～ t a o， J I A Xi r o n g C o l l e g e o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o lo g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e c a t e g o r i z i n g p r i n c i p l e ， me t h o d a n d ma i n c h a r a c t e r i s t i c s o f s e e m r o o f i n s h e n d o n g mi n i n g a r e a a r e a n a l y s e d ， RMR r o c k c l a s s s y s t e m i s u t i l i z e d t o me a s u r e r o o f p a r a me t e r s ， a n d t h i n p l a t e t h e o r y i s u t i l i z e d t o c a l c u l a t e t h e we i g h t i n g i n t e r v a l a n d s t r e n t h o f r o o f ． Ke y wo r d s r oo f c a t e g o r y ； RM R c l a s s s y s t e m ； t h i n p l a t e t h eo r y 本文责任编辑徐树文 上接第 l 9页 多产 出 3 ． 5万 t 煤。故此厚煤层分 层开采巷道外错式布置具有广阔的推广前景。 4 结论 a ． 煤柱受到工 作面 回采 引起 的支承压 力作用 后 ， 煤柱的变形区从外到内依次为破裂区、 塑性 区和 弹性区。 b ． 当弹性 区宽度为零时 ， 即煤柱两侧塑性 区连 在一起时 ， 煤柱整体进入塑性状态。回采巷道煤柱 为塑性煤柱可以将部分支承压力转移。 C ． 煤柱进入塑性状态后 ， 当煤柱宽度减小时 ， 煤 柱所受支承压力也相应减小。所以厚煤层分层开采 下分层巷道采用 外错式布置方式时 ， 下分层煤柱所 受支承压力小于上分层煤柱所受支承压力。 参考文献 1 ] 董玉文等 ． 国外厚煤层顶煤 冒落综采法的发展及其在我国推广应用 的前景 ． 北京 煤 炭工业 部机械制 造局科 技情报 中心站 1 9 8 3． 2 ] 王家廉 ， 吴绍倩． 煤矿地下开采方法[ Mj ． 北京 煤炭工业出版社， 1 9 8 5 ． 3 ] 陈炎光 ， 陆士量 ． 中国煤矿巷道 围岩控制 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 1 9 9 4 ． S t u d y o f Ou t e r wa r d Al t e r na t e En t r i e s i n S l i c i ng Thi c k S e e m LI Ba o f u， KANG Li xu n， ZHAI Yi n g - d a Co l l e g e o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c hno l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e f e a s i b i l i t y o f o u t wa r d a l t e r n a t e e n t r i e s i s d e mo n s t r a t e d， i n wh i c h t h e a b u t me n t p r e s s u r e wo u l d r e d u c e wi t h t h e r e d u c t i o n o f c o a l p i l l a r wi d t h wh e n c o a l p i l l ar e n t i r l y b e p l a s t i c ． Ke y wo r d s s l i c i n g ； o u t wa r d a l t e r n a t e e n t r y； p l a s t i c c o a l p i l l a r 本文责任编辑徐树文 维普资讯