东曲煤矿28214工作面区段煤柱留设宽度分析研究.pdf

第4 6 卷第7 期2023年7 月采矿与井巷工程东曲煤矿2 8 2 1 4 工作面区段煤柱留设宽度分析研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023韩敬（山西焦煤西山煤电东曲矿，山西太原0 3 0 2 0 0）摘要：东曲煤矿2 8 2 1 4 工作面区段留设煤柱宽为2 1.2 m，富余空间较大，对巷道变形量、煤柱松动圈和煤柱应力进行监测，将2 8 2 1 4 工作面区段煤柱宽度划分为塑性区和弹性核区，计算确定留设煤柱宽度为1 6.8 m，在该煤柱宽度下监测巷道收敛量，顶板最大下沉量4 8 mm，两帮收敛量最大4 6 mm，保证了巷道稳定性，减少了煤炭的浪费。该技术可为其他类似矿井提供借鉴。关键词：塑性区；弹性核区；煤柱宽度；收敛量中图分类号：TD822.3文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 7-0 0 2 3-0 4Analysis and research on the width of section coal pillar inNo.28214 Face of Dongqu MineHan Jing(Dongqu Mine of Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electitity,Taiyuan 030200,China)Abstract:The width of coal pillar in No.28214 Face of Dongqu Coal Mine is 21.2 m,and the surplus space is large.Thedeformation of roadway,the loose circle of coal pillar and the stress of coal pillar were monitored.The width of coal pillar inNo.28214 Face was divided into plastic zone and elastic core zone.The width of coal pillar was calculated to be 16.8 m.Theconvergence of roadway was monitored under the width of coal pillar.The maximum subsidence of roof was 48 mm,and themaximum convergence of two sides was 46 mm,which ensured the stability of roadway and reduces the waste of coal.Thistechnology can provide reference for other similar mines.Key words:plastic zone;elastic nuclear region;coal pillar width;convergence amount发现，煤柱侧壁几乎无片帮现象，且顺槽无底鼓，1 概况认为现有区段煤柱的宽度有富余空间，会造成煤炭东曲煤矿2 8 2 1 4 工作面位于+8 6 0 水平二采区。资源浪费，因此，急需对现有的区段煤柱宽度进行此工作面北西为已规划的2 8 2 1 2 工作面，南西优化研究。+860大巷保护煤柱，北东为二采8 号煤边界回风2228214工作面区段煤柱变形规律监测巷，南东为正在施工的2 8 2 1 6 工作面。工作面地面位置位于羊圈港村庄北东，地表无河流穿过。盖山厚度2 7 6 4 5 0 m，平均厚度为3 6 3 m。本工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化一次采全高全部垮落法，采用双滚筒采煤机自开缺口，工作面两端头斜切进刀，刮板输送机运煤，液压支架支护顶板，全部垮落法处理采空区。东曲煤矿2 8 2 1 4 工作面现有区段煤柱宽为2 1.2 m，经过开采相近综采工作面后2.1监测方案在对2 8 2 1 4 工作面相近的2 8 2 1 3 工作面进行开采时，同样采用一次采全高全部垮落法采煤，留设煤柱宽度为2 1.2 m。为研究最佳留设煤柱宽度，对工作面回采过程中的巷道变形量和留设煤柱的受力情况进行监测，研究煤柱变形规律，作为留设煤柱宽度的依据。2 8 2 1 4 工作面煤柱留设监测区段布置责任编辑：任伟ID0I:10.19286/ki.cci.2023.07.007作者简介：韩敬（1 9 8 3 一），男，山西河津人，采煤工程师。引用格式：韩敬.东曲煤矿2 8 2 1 4 工作面区段煤柱留设宽度分析研究 J.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（7）：2 3-2 6.232023年第7 期如图1 所示，主要对工作面进行标准监测区段和监测区段的监测，监测2 8 2 1 4 工作面在回采过程中巷道表面变形量。标准监测区段监测区段切眼图1 2 8 2 1 4 工作面煤柱留设监测区段布置示意Fig.1 Layout of coal pillar monitoring section in No.28214 Face（1）监测区段。在距离2 8 2 1 4 工作面切眼220m的胶运顺槽处布置监测端面，在监测区段的煤柱上按照图2 开钻孔，钻孔直径3 3 mm，间距2.5m，不同位置的钻孔孔深不同，在1 5 m钻孔深度为1.5 m，5 1 0 m 钻孔深度为1.3 m，在1、3和4 m孔内竖向增加布置2 个钻孔应力计，钻孔采用JSS30A型收敛计监测巷道变形量。220m图2 2 8 2 1 4 工作面监测区段收敛计钻孔巷帮布置示意Fig.2 Roadway side drlling layout of monitoring sectionconvergence meter in No.28214 Face（2）标准监测区段。标准监测区段的设定是为了增加巷道变形量监测数值的准确性，降低监测数据与实际变形量的偏差!。标准监测区段监测端面布置在监测区段与切眼相等距离的位置，测试松动圈演化规律，开孔位置如图3 所示，其中顶板设置深度为8 m的窥视孔，设置离层仪，在巷道两帮分别设置深度为5 m的窥视孔。顶板窥视孔8m顶板离层仪孔深8 m帮部窥视孔孔深5 m图3 2 8 2 1 4 工作面标准监测端面松动圈监测孔布置示意Fig.3 Monitoring hole layout of standard monitoringloose ring in No.28214 Face24煤炭与化工2.2变形量监测结果分析现场采动的来压步距为1 0 m，监测变形量断面距离回采面的距离选择时，考虑到回采工艺对巷道稳定性的超前影响，将监测断面设置为距离回采面1 0 0 m处开始，监测参数为两帮和顶部的累计变N形量，在获取监测数值后，去除明显误差监测数值，绘制（图4）2 8 2 1 4 工作面胶运顺槽端面累计变形量曲线图。30r2520151050100图4 2 8 2 1 4 工作面胶运顺槽端面累计变形量曲线Fig.4 The cumulative deformation curve of theglue transport in No.28214 Face通过图4 可以看出，2 8 2 1 4 工作面胶运顺槽回WOT采工艺对巷道变形的影响范围大约为1 0 0 m，在100m处，巷道无论是顶部还是两帮，几乎没有变形量，但随着距离回采工作面变小，巷道收敛量也在增加，巷道顶板的下沉量相较于两帮要小。在60m处，巷道变形量控制在6 mm左右，变形量很小；在接近回采面时，胶运顺槽顶板下沉量和两帮收敛量分别为2 4 mm左右和3 0 mm左右，胶运顺槽的最大变形量仍在安全控制范围之内，表明区段煤柱有进一步优化的空间。2.3煤柱松动圈窥视结果分析为了解煤柱岩层的岩性、岩层分界特征、内部裂隙发育状态、围岩破碎程度等情况，对围岩松动圈的测试选用YSZ（B）-4 0 0 型光学电镜钻孔窥视仪在胶运煤柱侧进行两次窥视作业，窥视作业深度分别为距离孔口1、3、5 和1 0 m，其中第一次窥视结果显示孔壁围岩无裂隙，周围也无碎煤，且孔内无水，岩层稳定；第二次窥视显示在孔口1 m处出现少量裂隙，增加了1.5 m深度窥视后发现无裂帮部窥视孔隙，说明因受到采动作业的影响，安装孔附近煤体孔深5 m的松动圈范围在1.5 m内，该区域内的煤柱有可能收敛环会发生破碎。2.4煤柱应力监测结果分析分别在2 8 2 1 4 工作面胶运顺槽侧和辅运侧煤柱布置应力监测系统，对区段采空侧支撑煤柱应力进第4 6 卷两帮累计变形量顶板下沉量8060距离回采工作面距离/m40200韩敬：东曲煤矿2 8 2 1 4工作面区段煤柱留设宽度分析研究行实时监测，煤柱宽度为2 1.2 m。通过监测发现，支撑煤柱应力最大处在距离采空区1.5 1.6 m处，应力分布规律为0 1.5m应力逐渐增大，然后降低，在1 0 m处达到稳定，说明2 8 2 1 4工作面胶运顺槽预留2 0 m宽度煤柱，在采空区一侧塑性区宽度约为1.5m。另外对距离综采面不同距离的煤柱应力进行监测，监测显示50 m范围内的煤柱应力在综采作业中表现出距离综采面越近，应力越大；在50 m之外，煤柱应力与初始应力值几乎没有变化，表明综采工作面侧的煤柱应力主要分布在50m范围内。3区段煤柱受力分析根据东曲煤矿2 8 2 1 4工作面开采条件，一次采动完成后区段煤柱两侧都为采空区，因此将煤柱宽度划分为塑性区和弹性核区两部分进行计算。（1）区段煤柱一侧采空。煤柱设在一侧采空的情况下，留设煤柱的受力状态见表1（上）所示，其中I、和IV分别代表留设煤柱的破裂区、塑性区、弹性应力升高区和原岩应力区3，各区分别沿采空区向煤柱内部分布，即与采空区相邻的是破裂区，该区域煤柱的应力向内逐渐上升，煤柱的裂隙复杂，甚至存在破裂情况，随着综采作业的采动影响，还会出现片帮现象；塑性区煤柱应力达到最大，煤柱提供的支撑力与支撑应力达到弹性塑性平衡，塑性区的范围对煤柱的支护效果有直接影响，如果塑性区过大，会使得煤柱的承载能力不足维持支护稳定，使得巷道围岩失稳；塑性区过小，说明留设的煤柱过宽，虽然能都维持巷道围岩稳定，但会造成煤炭资源的浪费；弹性应力升高区的煤柱支撑力与支撑应力也处于弹性平衡区，但煤柱的支护应力随着远离采空区逐渐减小；原岩应力区煤柱应力与综采作业关系不大，基本是原来岩层的初始应力。（2）区段煤柱两侧采空。煤柱设在两侧采空的情况下，留设煤柱的受力状态如图5所示。其中I、分别代表留设煤柱的破裂区、塑性区、弹性核区5，其中破裂区和塑性区分布在弹性核区两侧，当留设的煤柱宽度合适时，煤柱的支撑应力会呈现双峰状态，煤柱两侧的支承应力近似对称分布。与一侧采空区留设煤柱的破裂区相比，破裂区的煤柱裂隙程度更大，且煤柱的承载能力较弱；塑性区的煤柱支撑力同样会达到最大，且煤柱支撑力保持连续，确定塑性区的宽度是留设煤柱宽度确定的关键；在弹性核区区段2023年第7 期煤柱的支撑应力减小，留设煤柱弹性核区煤柱完整，提供的承载能力也较强。yHyIIIII图5留设煤柱宽度与应力关系图Fig.5 The relationship of coal pillar width and stress4留设煤柱宽度计算根据东曲煤矿2 8 2 1 4工作面开采条件，一次采动和二次采动完成后区段煤柱两侧都为采空区，因此将煤柱宽度划分为塑性区和弹性核区两部分进行计算。4.1塑性区宽度计算区段煤柱塑性区宽度的确定受各种因素影响较多，按照实际工况设立简化计算模型，优化煤柱塑性区宽度计算方法。留设煤柱受力均匀且连续，顶部和底部的竖向应力相等且对称，两帮水平应力相等且对称；留设煤柱的受力变形曲线近似为二次抛物线，曲线绝对对称；煤柱破坏形式为剪切破坏，满足摩尔库伦准则。按照以上计算模型，煤柱塑性区宽度计算公式为8：L=d式中：Li为煤柱塑性区宽度，m；d 为采动影响因子，由2 8 2 1 4工作面地质条件决定，资料查阅为1.6，无量纲；M为煤层厚度，m；A、B分别为抛物线型摩尔库伦强度公式中的参数，无量纲；为留设煤柱的最大竖向支承应力，Pa。4.2弹性核区宽度计算区段煤柱弹性核区简化模型为：留设煤柱是均匀的连续弹性体；区段的煤柱上侧煤层压力均匀作用于煤柱弹性核区；按照以上计算模型，煤柱弹性核区宽度计算公式为9 ：MSL,=2S-621n-1n+1式中：Lz为煤柱弹性核区宽度，m；M为煤层厚25IIIIS-622IVSb+2S2+(1-S)b(2)(1)2023年第7 期度，m；S 为材料拉压比，无量纲；b为准侧参数，无量纲，根据东曲煤矿2 8 2 1 4工作面煤层岩性，为了方便计算，取值为0.5。4.3留设煤柱宽度根据东曲煤矿2 8 2 1 4工作面煤层岩性，确定计算参数后，按照下式进行留设煤柱总宽度计算：L=2L+L(3)因为2 8 2 1 4工作面胶运侧和辅运侧的塑性对称，因此留设煤柱总宽度要计算两次煤柱塑性区宽度，计算后留设煤柱总宽度为1 6.8 m。5留设煤柱优化效果28214工作面原区段煤柱宽为2 1.2 m，开采中煤柱侧壁几乎无片帮现象，表明原来留设的煤柱宽度有富余空间，优化后煤柱宽度为1 6.8 m，为了验证该宽度下工作面巷道是否能保证围岩稳定，基于上文监测方案进行收敛量测定，以评价留设煤柱的合理性。工作面回风顺槽的巷道收敛量如图6 所示。从图中可以看出当回采工作面距离监测断面8 0 m时，回风顺槽的收敛量较小，巷道几乎没有变形；在2080m，虽然回顺顶板下沉量和两帮收敛量都在增加，但增加的幅度并不大；当工作面距离监测断面在2 0 m范围内时，巷道围岩变形率迅速增大，顶板最大下沉量为48 m左右，两帮收敛量最大46mm左右，都没有超过50 mm，说明巷道稳定性能够得到保证，留设煤柱宽度合理，相较于原来留设宽度，既确保了工作面巷道安全，又降低了因留设煤柱引起的煤炭资源浪费。807060.50.403020100距工作面距离/m图6 监测断面收敛值曲线Fig.6 Curve of monitoring section convergence6结 论为降低东曲煤矿2 8 2 1 4工作面因留设煤柱导致的煤炭资源浪费，对煤柱宽度进行优化，通过研究形成以下结论。煤炭与化工（1）为优化煤柱宽度提供理论依据，对28214工作面在回采过程中巷道表面变形量进行监测，分别设定了监测区段和标准监测区段，详述了不同区段监测孔的布置方案。（2）通过监测得出2 8 2 1 4工作面胶运顺槽回采工艺对巷道变形的影响范围大约为1 0 0 m，在6 0m处巷道变形量控制在6 mm左右；在接近回采面时，顶板下沉量和两帮收敛量分别为2 4mm左右和3 0 mm左右，区段煤柱宽度降低空间大。（3）根据东曲煤矿2 8 2 1 4工作面开采条件，将煤柱宽度划分为塑性区和弹性核区两部分，结合东曲煤矿岩层参数，计算得优化后的煤柱宽度为16.8 m。（4）为了验证1 6.8 m留设煤柱下工作面巷道是否能保证围岩稳定，监测巷道收敛量，顶板最大下沉量为48 m左右，两帮收敛量最大46 mm左右，都没有超过50 mm，说明巷道稳定性能够得到保证。参考文献：1 张志沛，李锋.缓倾斜厚煤层浅部回采区段煤柱留设宽度优化J.科学技术与工程，2 0 2 1，2 1（7）：2 6 55-2 6 6 3.2 孙强，冯国瑞，郭军，等.采空区边缘下方回撤通道护巷煤柱合理宽度研究J.煤矿安全，2 0 2 1，52（3）：6 1-67.3刘金海，郑学军，刘虎，等.冲击地压矿井采区下山保护煤柱合理宽度研究J.煤炭科学技术，2 0 2 1，49（2）：52-60.4刘增辉，王帅帅，黄顺杰，等.高应力厚煤层不同宽度护巷煤柱数值模拟研究J.矿业研究与开发，2 0 2 1，41（3）：46-51.5闫寿庆，张震，席建辉，等.特厚煤层综放沿空掘巷小+回顺顶板下沉煤柱合理宽度综合确定方法J.中国矿业，2 0 2 1，3 0+回顺两帮收敛(3):70 75.6李涛.望云煤矿1 5号煤层回采巷道煤柱宽度分析与围岩控制技术J.煤矿现代化，2 0 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