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对王庄煤矿巷道小煤柱支护的稳定性研究

Stability Research on Small Coal Pillar Protect of Mine Roadway in Wang Zhuang Coal Mine

9

对王庄煤矿巷道小煤柱支护的稳定性研究

MENG Xiu-feng
China University of Mining and Technology
Resources and Safety Engineering College
Bei Jing,China
mgymxf@
PENG Hong
China University of Mining and Technology
Institute of Electrical and Information
Engineeri
Bei Jing,China
Penghong861@

摘要：在这篇论文中，以山西潞安环保能源股份公司的王庄煤矿为基础，用理论分析，数值模拟的综合方法设计出留煤柱的最优规模，支持系统的优化设计方案，减少煤炭损失矿山，以确保安全高效的生产，使用过程中的深部开采留窄煤柱采空区技术，提出了科学，合理确定柱尺寸，，沿巷道，以确保稳定。并提出沿巷道高强度锚杆支护技术，它会显示一个小煤柱护路和高强度锚杆支护方法在理论上可以有效的保证了稳定的沿巷道深处。
关键词：窄煤柱，技术支持，数值模拟，煤柱宽度，稳定性
1 前言
煤炭是中国的主要能源,近30年,煤炭在能源中的比重超过70%。2008年,中国产出的原煤为26.2亿吨,位于世界首位。。随着不断的煤炭开采浅、表层煤炭资源越来越少,现在已经转向深层采煤。随着越来越多的深部煤层开采的发展，深层矿井的稳定性、应力性问题越来越突出。随着煤矿开采深度、强度的增加，而能源又大量需求,在许多深矿井开采领域中普遍使用的是左侧巷道窄煤柱采空区的开采方式。随着开采深度的增加，使得煤柱越来越难以维持复杂巷道支护要求，因此在巷道维护上要采用更高的、更严格的保护技术【1】。这限制了它的发展和煤矿的开采效率虽然在过去几年有关科研部门，大学和生产部门，在改善深层煤矿开采和巷道维护方面的研究中取得了一定的成果，但仍缺乏关于深层巷道围岩稳定性的知识。此外,巷道的确定，一直困扰着生产和管理,大多数煤矿煤柱巷道依据经验确定。保留煤柱尺寸太大导致煤炭资源损失,保留煤柱过小造成严重不稳定支柱变形。因此,确定煤柱的大小对于煤柱沿巷道的支护是必要的。
2 王庄煤矿简介
王煤矿位于山西省长治市郊区，属于山西潞安环保能源股份公司，年量710万吨。王庄煤矿覆盖深度140m〜300m，煤层厚度5.5m〜7.12m，平均为6.5m，倾角2.5°〜7°，平均为3°，煤炭Plats系数F = 1.0〜2.5;伪顶，碳质页岩厚度为0.1m〜0.4m，沙泥岩厚度1m〜9m，平均5.5m，主要的巷顶为3m〜25m，平均的16.5m。
3 采空区侧窄煤柱的合理确定
考虑在固定和支撑面上增大受力的前提作用下，煤柱宽度是巷道围岩稳定性的主要因素，它对于确定合理煤柱宽度是必要的。为了减缓接近巷道接的速率和维护巷道的稳定性，以及减少煤柱损失，部分煤柱的支柱应尽可能的小。
如果煤柱的支柱太小，在高应力的作用下，煤柱的碎裂可能会导致锚固力的减弱，支撑作用的减弱。在两个煤层应力和极限平衡理论下，按照煤柱的宽度与围岩变形的关系，可以计算出煤柱的合理宽度。
A、采空区侧窄煤柱宽度确定的基本原则
空留巷窄煤柱宽度的合理性选择是巷道掘进及支护技术的关键环节之一。煤柱尺寸过大或过小，都不利于巷道支护和维护; 根据巷道窄煤柱的支护原理，窄煤柱宽度的设计必须满足以下要求【2】：
(1)帮助巷道锚杆是支护巷道相对完整的保证，在松散的小范围内，充分发挥锚杆的作用和岩石本身的承载能力。
(2)有助于提高采煤率，最大限度地减少煤柱损失。
(3)有助于采空区隔离，不漏气
(4)有助于巷道维护，使煤柱两侧的煤炭开采的巷道布置在最后一节以上的低压区相邻的提取，以避免轴承的压力和残余支承压力叠加支持的区域。
在巷道布置的最后一步是对煤柱两侧采空区上方支护压力较低区域附近的采取，避免轴承压力和残余支承压力叠加。
B、煤柱宽度的确定
根据采空区侧煤柱宽度的基本要求，确定煤柱宽度一般有以下三种方式。
1 计算方法
这种方法主要是通过建立和简化的计算模型如图1所示，在考虑尽可能减小煤柱，增加锚固力的支撑作用的前提下，影响围岩稳定性的主要因素，以确定合理的煤柱宽度的计算公式如下:
（3-1）
是煤柱塑性区最后一部分的的宽度，其值的计算公式如下：
（3-2）
式中
m—小煤柱维护巷道高度；
A—侧压力系数，，u是有关的泊松比；
—煤体的内摩擦角
—煤体内聚力
k—应力集中系数
H—巷道埋深
—煤侧上的支撑阻力，在采空区一侧的值是0
—锚固深度
—附加安全宽度，厚煤层的煤柱宽度增加量（）一般为煤层宽度的
30％至50％
根据王庄煤田的地质，生产技术，煤柱宽度的计算参数如下：
m=7.12m,,，C0=0.2MP , k=1.5, γ=25KN/m3, H=600m , =0.2Mpa,
得出煤柱的合理宽度为2.15+1.9+0.3×(2.15+1.9) =5.27(m)。
2 数值模拟
通过煤柱宽度设计不同的尺寸进行模拟,分析围岩表面位移、深层位移和应力分布和塑性区和锚固的情况,得出窄煤柱的最佳解决方案,这是一个有效的且被广泛使用的方法 。

图1为小煤柱宽度的计算模型
3 工程类比
这是一个在煤矿巷道中用来设计窄煤柱宽度常用的方法，也是更直接和更简单的方法，但由于在复杂地质条件下巷道工程,各种各样的岩石力学参数很难掌握,所以该方法需要更广泛的现场经验,有时结果的工程类比与实际需求会有一些差异。
这三种计算采空区侧狭窄的支柱的方法各有优点和缺点, 在实际巷道设计中往往结合使用这三种方法确定合理的窄煤柱尺寸。

4 三维数值模拟
为了学习和掌握综放工作面锚杆，锚索联合巷道矿压显现和螺栓，电缆的支撑作用，确定合理的煤柱宽度，除了现场进行压力观测，查看支护形式和设计支护参数外，采用合理的数值方法和软件进行分析和计算，也是必要的，因为数值模拟，不仅可以预测隧道和矿山压力，也能获得提供最优设计的有效和可靠的参考文献。本研究采用国际最流行的三维，FLAC软件（三维显示有限差分法）来计算王庄煤矿综放工作面【3】。
A .数值模拟条件
王庄5109运输巷和背面风巷数字模拟研究的数值是开采深度550m，平均煤层厚度6.5m，平均角度200°，抗压强度为0.5MPa，由于巷顶有厚度为2.7m细砂层和5.5m的粗砂层，厚度2.4m，它反映给我们的是厚度为5.4m的厚岩层。
B.模型的建立
为了消除边界效应，考虑各种因素的影响和简化计算的需求，根据现场实际，三维计算模型的长，宽，高设置为330m，217m和200m。由于计算模型考察回采巷道的围岩变形和破坏情况，并且计算也满足了FLAC软件对网格单元的尺寸要求，本次研究采用不等分方式对计算模型单元划分，共划分出84 504个长方体单元和89684个网格点。在模型中限制除了顶面的5个方向的位移 同时对模型侧面施加水平应力，对模型的上部施加上覆岩层的自重应力，研究范围内的岩层采用莫尔 —库仑模型。
模拟计算模型中考虑的因素很多，计算模型及参数的选取应尽可能地符合开采的实际情况，并参考现场提供的资料和有关岩石力学书籍确定相关的参数。在图2中给出了岩石的力学参数。

图2为横截面支护设计示意图
C.模拟程序的确定
第一次对窄煤柱采空区内锚杆和锚索联合支护巷道压力的模拟结果显示，该模拟可以支持三种不同设计的可行性和支护参数最优化;最后，煤柱宽度优化计算分别选择了3m，4m，5m，6m，7m等五个项目。通过实验得知：比较5m和3m的煤柱,在左边的巷道剪切破坏发生的数量和范围单位更大。 虽然发生剪切破坏在右侧的单元数量和范围较小，但塑料大于3m的支柱损坏严重。6m煤柱剪切破坏发生在巷道的单元数和范围超过4m和5m的煤柱比较大，而塑性破坏更为严重，随着煤柱宽度的增加，当煤柱为7m时，发生剪切破坏和塑性变形的程度开始减弱。 当煤柱宽度太小时，煤柱的承载能力小，塑性变形发生更严重，巷道开挖位移的范围大，煤柱宽度大时，对于高区巷道采空区内的部分巷道在强度维护方面依然是负的，对于挖掘隧道的影响是形成横向应力的叠加效应 ，围岩位移仍然很大，虽然煤柱宽度的增大，位移将会减少，但更大的煤柱，在四川矿区造成资源回收率负增长速度。从上面的分析得到，4m-6m之间的巷道煤柱对巷道的维护是极为有利的。
5 理论和数值模拟结果分析
以前使用的理论计算和数值模拟的方法是研究沿巷道压力影响和变形破坏模式，理论计算结果和数值模拟结果具有很好的一致性，具体方法如下：理论结果说明,巷道在工作表面,巷道顶板上的覆岩体不稳定并没有出现在破碎的结构，但沉降的程度是不抗变形，然后保持稳定，除了应付周围的岩石上覆地层下沉,我们还必须加强锚杆支护和其他支持措施,维护围岩稳定性,从而保证在生产过程中巷道正常使用。
煤柱宽度对于巷道稳定性是最重要的，煤柱宽度的布设是巷道设计和优化的重要组成部分。数值模拟结果表明，在巷道的采空区的最后一部分布设宽度为4m〜6m的煤柱，可以减少支承压力，对巷道的维护是极为有利的，而最优的煤柱宽度理论上为5.27m，煤柱宽度为4m〜6m，是理想的巷道布置设计。
6 深矿井采空区侧支护技术
在确定采空区侧巷道窄煤柱之前应考虑的一个问题是支护方法的选择。不同的支护技术堆要留煤柱尺寸有一定的影响。根据理论和数值模拟分析，结合野外观测资料，基于一些变化提出了在采空区侧对窄煤柱用锚杆，锚索联合支护的方案，现把采空区侧对窄煤柱用锚杆，锚索联合支护的方案作如下概述【4】：
(1) 高顶螺栓采用如图2所示的高强度钢，金属丝网和钢梯子梁支护并用7个锚绳加强支护，用全长水泥柱和初始锚加固巷顶，倾斜角栓布设在有W钢带结构所形成的弱顶点上。
(2) 两组都采用预先测试过的高强螺栓、金属网、钢梯梁支护并在两根煤柱上布设钢缆，加强支护、全长水泥柱,两个底部角用锚索在斜梁上布置由钢梯结构效应的破碎岩层,钢柱用来帮助增加提高密度可以是适当的加强岩石强度。
(3) 对于松散破碎围岩加固预应力锚索地梁以加强支护【5】。
(4) 在锚杆轮廓线施工故障区域，适当的加密锚杆，锚索，增强岩石强度，提高围岩的承载能力。锚杆可以为流动的软煤层提供临时支撑和支护，提高螺栓韧度，临时支护和永久支护的长度不能超过1m。经过全面的理论分析，数值模拟和工程实践分析的三种方法确定出了煤柱的合理宽度B在5m—6m之间。
（5）锚杆材料采用高强度的预应力锚索地梁。选择锚杆直径时主要考虑的是可靠行和支护性、技术上的可行性以及经济合理性选。使用直径为20mm的钢筋制作锚杆。锚杆长度是一个重要的支护参数，前三个螺栓径长为2400mm。最后的十个为2000mm。
7 结论
为了研究和掌握巷道的矿压与锚杆，锚索支护效果，确定合理的煤柱宽度，支护形式和支护参数，在本文中使用FLAC3D软件技术对王庄煤矿进行数值模拟，并对数值模拟结果与理论计算结果进行了比较。准确合理的确定规模小煤柱的宽度。

参考文献
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