局部煤柱下安全采煤技術(shù)

第29卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)2001年10月局部煤柱下安全采煤技術(shù)楊光玉,賀興元(新汶礦業(yè)(集團)有限責任公司翟鎮煤礦,山東新泰271222 )摘要:以系統科學(xué)和控 制論的基本思想為指導, 通過(guò)對局部煤柱下采煤的礦壓顯現分析,采取了- -些相應的具體控制措施,對安全生產(chǎn)具有一定的指導定義。關(guān)鍵詞:煤柱下采煤;礦壓顯現;控制中圖分類(lèi)號: TD823.53文獻標識碼: B文章編號:0253-2336(2001)10-0016-04.Safety coal mining technology with partial coal pillarsYANG Guang- yu , HE Xing - yuan .( Zhaizhen Mine , Xinuen Mining Group Company Ld. Xintai 271222 ，China )在煤礦開(kāi)采過(guò)程中,受地質(zhì)條件的影響,不可合頂板，直接底為泥質(zhì)粉砂巖, 厚0.5~3.6m,性避免地要留設部分煤柱,如果.上下分層之間的層間脆。距小于30 m,下層煤開(kāi)采時(shí)將受到上層煤柱所形4403W工作面(圖1b)直接頂為0~ 1.5 m厚成的集中應力影響,對下層煤的開(kāi)采帶來(lái)不安全因的泥質(zhì)粉砂巖,性脆,偽頂為0.2~ 1.0 m厚的炭素。.因此研究煤柱下安全采煤技術(shù)是十分必要的。質(zhì)泥巖,易冒落,老頂為3.0~5.5 m厚的細砂巖，直接底為0.2~ 1.5 m厚的泥質(zhì)粉砂巖。1概況1.2 煤柱賦存狀況翟鎮煤礦3401W與4403W面都不同程度的存:3401 W工作面.上覆煤柱共有3處,自西向東依在上層工作面回采時(shí)留設的局部煤柱情況見(jiàn)圖1。次分別為:第一處煤柱對應于3401W下部，走向長(cháng)270 m,傾向平均45 m,形狀極不規則,該采區段2、4煤層間距平均13.2 m,且3401W面斷層裂工作面推進(jìn)方肉媒柱2隙發(fā)育;第二處煤柱對應于全面,東部形狀不規煤柱3則，走向平均120m,傾向170 m,此處2、4煤層間距16~23 m,工作面中上部為背斜構造;第三通輸恭處煤柱對應于3401W中上部以下,走向平均27.5m,傾向103 m,形狀較規則。.執道巷4403W工作面上覆煤柱有2處,自西向東依次煤生1為:第一處對應于4403W面開(kāi)切眼位置,走向18m,傾向118m,2、4煤層間距24m;第二處煤柱，鄢柱2對應于4403W面上部,走向180m,傾向22 m,形狀不規則,2、4煤層間距20mo煙輸巷7H因5處煤柱的位置、尺寸、形狀及本區段地質(zhì)條件各有差異,其集中應力的顯現程度也各有不同。在劇烈影響段,出現過(guò)頂梁折斷,支柱壓崩現象。支柱載荷平均27.5 MPa ,頂底板移近量平均310 mm ,超過(guò)控制頂板下沉量允許值。同時(shí),煤壁片幫平均圖2煤柱 -側為采空區400 mm,最大1 100 mm,頂板破碎段較為普遍,軌道巷頂板局部出現裂隙,且冒頂形狀多數形成人”字形,也曾出現過(guò)頂板臺階下沉，臺階錯距100 ~ 450 mmo2.2 煤柱集中應力的形成圖3煤柱兩側為采空區,煤柱寬度小于20 m2.2.1 集中應力的形成受不同條件的影響,留設煤柱后,因煤柱周?chē)?側或多側為采空區,在采空區不斷冒落、壓實(shí)過(guò)程中,上方巖體的部分重量及采動(dòng)過(guò)程中形成的超前支承壓力便集中于煤柱之上,形成集中應力, 待穩定后,其應力集中系數可達2~3,此時(shí),底板圖4煤柱兩側為采空區,煤柱寬度大于20 m巖層處于.上覆巖層增大了的靜壓作用下,并隨著(zhù)煤層的開(kāi)采,煤柱集中應力開(kāi)始由靜壓向動(dòng)壓轉變，(3)C型。當煤柱三側為采空區或孤島式煤而動(dòng)壓一旦形成,圍巖應力又將重新分布,在此過(guò)柱,煤柱寬度小于30m(Cq型)時(shí),應力分布規程中,上覆煤柱的集中應力將達到(3~5) yH( γ律類(lèi)似于圖3 ;煤柱寬度大于30m(C2型)時(shí)，應巖層容重,H采深),甚至(7~8)yH,從而對煤層力分布規律類(lèi)似于圖4,但其應力集中程度大于B開(kāi)采構成威脅。型。其中A、B、C2型煤柱,集中應力主要集中在2.2.2 集中應力的分布規律煤柱邊緣帶20~ 30 m范圍內,且應力集中系數為2煤柱的位置、尺寸及形狀的不同,其集中應力~3 ,煤柱中部接近或略大于原巖應力。對于A(yíng)型的形成也是不同的,并且應力集中的程度也各有區煤柱,實(shí)質(zhì)上它類(lèi)似于一個(gè)懸臂梁, - -端有固支別,根據其形成因素,大致可分為以下幾種:點(diǎn),煤柱下開(kāi)采過(guò)程中,集中應力一般不會(huì )得到充(1)A型。當煤柱一側為采空區時(shí),其應力集分釋中國煤化工大。而B(niǎo)、c型煤柱中程度較小,如圖2所示。.應大MHCNMHG。(2)B型。當煤柱兩側為采空區時(shí),煤柱寬度根據以上分類(lèi), 3401W工作面第-處煤柱屬小于20m(B型)時(shí),其應力集中情況如圖3所C型，第二處煤柱屬C2 型，第三處屬C3型;示;煤柱寬度大于20m(B2型)時(shí),其應力集中4403W工作面兩處煤柱均屬A型。17第29卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)2001年10月同時(shí),重點(diǎn)應放在工作面防推跨上。(5~7)7H(3)根據上覆煤柱集中應力分布規律及工作面上覆巖層三帶劃分可知:2煤層煤柱位于裂隙帶內,開(kāi)采過(guò)程中,2煤層煤柱及其上覆巖層在形成裂隙的同時(shí),伴隨著(zhù)小范圍內的下沉運動(dòng),但是其較輕微的下沉運動(dòng),足以使4煤層基本頂巖梁早已形成的砌體梁平衡結構得到破壞,使基本頂由彎曲圖5煤柱兩側為采空區 ,煤柱寬度大于30 m拉伸破斷向剪切破斷形式轉化,從而促使4煤層頂另外,2、4煤層間距及4煤層頂底板條件，板下沉運動(dòng)加劇,使基本頂下位巖層產(chǎn)生裂隙并加斷層及裂隙發(fā)育狀況都直接關(guān)系到4煤層開(kāi)采過(guò)程大,也是工作面頂板時(shí)常發(fā)出動(dòng)壓響聲的原因,裂隙間距的大小,使響聲強弱也存在區別。中上覆煤柱的集中應力分布規律及影響程度。(4)對于不同類(lèi)型的煤柱,隨應力集中的范圍2.3煤柱下采煤礦壓 顯現規律及集中程度不同,工作面開(kāi)采時(shí)壓力顯現的強度也(1 )煤柱下開(kāi)采,不僅承受自身上覆巖層的支各有區別,其應力影響及壓力顯現過(guò)程可概括為3承壓力,而且承受來(lái)自煤柱的集中應力, 再加上開(kāi)種形式:①弱一強→弱;②弱→強→弱→強→采超前壓力影響，三者形成復合疊加應力,致使煤弱;③弱→強→強→弱。柱下開(kāi)采壓力異常。(5)根據集中應力在底板巖層中的傳播規律及(2)根據上述煤柱類(lèi)型分類(lèi)可知:對于寬度大現場(chǎng)實(shí)測資料總結可知:不同類(lèi)型的煤柱,不同的于60 m的煤柱,在工作面煤柱下開(kāi)采推進(jìn)30 m應力集中程度,其應力影響擴散角也不同,對于后,集中應力的影響逐漸減弱,在離開(kāi)煤柱30 m .A、C2型煤柱,其應力影響擴散角在25~30°;對前,集中應力的顯現程度又逐漸增強,這與3401WB、C,型煤柱,其擴散角較大,大約在45~55%。第二處煤柱下開(kāi)采的壓力顯現是-致的。也就是(6)受工作面斷層、背(向)斜構造及裂隙發(fā)說(shuō),寬度大于60m的煤柱,在其前后30m范圍育程度影響,對煤柱集中應力的傳遞和擴散有干擾內,集中應力較強,需要加強綜合支護，而在中間和變化,使集中應力的礦壓顯現表現為區段性,而范圍內,應力集中程度較弱，-般對安全開(kāi)采影響不是全面性,或者使集中應力的影響有所增強,或不大;對于寬度小于20 m的煤柱,由于長(cháng)期受集者有所減弱。例如在3401W工作面第二處煤柱下中應力作用,其實(shí)際塑性區范圍可能超出理論值。開(kāi)采時(shí),受背斜構造影響,工作面應力集中在工作也就是說(shuō),小于20m的煤柱,不存在有彈性核區面上部和下部，且上、下部顯現強度也有不同。域,在煤柱由塑性變形向松動(dòng)變形的轉化過(guò)程中，(7)周期來(lái)壓與集中應力的顯現相互影響，相煤柱的集中應力得到部分或完全釋放,從而對煤柱互促進(jìn)。同期來(lái)壓使集中應力顯現進(jìn)一步增強 ,而開(kāi)采不構成影響。3401W 工作面第三處煤柱下端集中應力的影響使來(lái)壓正常的周期步距減少。其( 3202w工作面部分)開(kāi)采時(shí)的壓力顯現可證明這中,在應力集中較高范圍內,遇到周期來(lái)壓時(shí)，可一點(diǎn)。另外，對于4403W工作面第一 處煤柱存在使集中應力顯現進(jìn)一步 加劇;而在應力集中本來(lái)較一種特殊性 ,雖然其寬度小于20 m,其應力影響.小的范圍內,周期來(lái)壓過(guò)程中,可能引起集中應力也較小,但它不同于上述應力釋放之說(shuō)。除了前面增強,但目前未出現這種情況。所說(shuō)其寬度18 m的煤柱類(lèi)似于懸臂梁外;對于煤(8)在觀(guān)測過(guò)程中發(fā)現，每一次較大的動(dòng)壓響柱寬度為20~60m的煤柱,自始至終受到集中應.聲,都預示著(zhù)煤壁前方直接頂肯定出現預生裂隙,力的影響，且影響程度較劇烈,個(gè)別情況下,即使且工作面推至此位置時(shí).機道頂板出現”人”字劈加強了支護強度,也無(wú)法抗拒其頂板發(fā)生臺階下形中國煤化工沉。在3401W工作面第一處煤柱下開(kāi)采時(shí),工作HCNMH G面加強了木垛等特殊支護,頂板也較堅硬完整,可3燥仕下女主術(shù)燥技不的探索與應用在強大的集中應力作用下,還是發(fā)生了3次臺階下3.1工作面支護適 應性分析(以3401W面為例)沉。此類(lèi)煤柱下開(kāi)采應在盡量控制頂板臺階下沉的根據3401W工作面柱狀圖,正常狀況下,3.018第29卷第10期煤炭科學(xué)技術(shù)2001年10月m中細砂巖為第一巖梁，3.1 m粉砂巖為第二巖支護強度需求,但是單純增大支護密度,或者以梁, 2.9 m細砂巖、1.2 m的粉砂巖互層、1.8m粉0.7m為間距架設π型鋼梁,不僅增加了施工難砂巖及2煤層共同構成第三巖梁,在整體上形成多度，多占用近- -半的柱梁。其施工中的可操作性也巖梁結構。正常情況下,基本頂巖層在彎拉破斷時(shí)較差。因工作面頂板管理重點(diǎn)在于機道管理,結合所需支護強度:該特點(diǎn)及支護強度要求,把π型鋼粱與貼幫柱聯(lián)合Lo=4.33Mz+6.5使用。每隔1.5m支設一架π型鋼梁,保持一梁二L = Lo/2.45柱,在兩架π型鋼梁之間機道內再支設2根貼幫柱,這樣既能滿(mǎn)足-定的支護要求,又可以及時(shí)維Pr = M2Yzfz + 2MεYε L/KrLK護機道頂板,特別是超前產(chǎn)生預生裂隙的頂板,可式中M,-直接頂厚度,取1.5 m;Lo-基本頂初次來(lái)壓步距;防止剛裸露頂板的破碎冒頂,并對煤壁片幫起到一定的控制作用。周期來(lái)壓步距;其次,留頂煤開(kāi)采也是一種較好的方法之一。直接頂容重;有時(shí),由于直接頂質(zhì)量指數偏低,在集中應力作用f;直接頂懸頂系數 ;下,直接頂極易破碎,機道冒頂頻繁。而留頂煤開(kāi)P一所需支護強度 ;采后,-方面頂煤有-定塑性,在支架與頂板之間基本頂巖梁厚度,取3 m;起到一定的緩沖,對防止直接頂破碎具有積極作Lk- -控頂距 ,取3.7 m;用;另一方面,留頂煤對煤壁具有-定的“粘連”γE一基本頂容重 , 25 kN/m3 ;作用,防止或減輕了煤壁片幫的發(fā)生,現場(chǎng)實(shí)用也K一巖梁傳遞系數 ,取2。證明這一點(diǎn)，留頂煤前,片幫多發(fā)生在煤壁中上經(jīng)計算可得: Lo= 19.4 m, L=8 m, Pr=部,使直接頂及早暴露而得不到及時(shí)支護;而留頂195. 16 kN/m2。即在煤柱影響下,基本頂出現剪切煤后,片幫多發(fā)生在煤壁中下部,且片幫深度也變破壞時(shí)所需支護強度:輕。目前,煤柱下留頂煤開(kāi)采是最為行之有效的方考慮各方面因素,為安全起見(jiàn),以基本頂3個(gè)法之一。巖梁同時(shí)切落為準計算,基本頂巖梁厚度取12 m,4結語(yǔ)公式同上，可得Pr= 648.6 kN/m2。煤柱影響下工作面支護設計:加強切頂線(xiàn)抬棚使用質(zhì)量,使抬棚起到雙重作n = Pr/R用。抬棚作為工作面特殊支護,同時(shí)也可作為正規Ri= hgK, KrK。KrR,支護作用,即把其初撐力由規定的50 kN提高到90kN,這樣,既可以提高支護強度，又可以減少頂b=1na板的最終沉降值,防止頂板下沉量過(guò)大而導致機道式中R,一支柱實(shí)際支撐能力 ;頂板發(fā)生剪切破壞。R;一支柱額定 工作阻力;在集中應力劇烈影響階段,由于頂板發(fā)生臺階kg-支柱工作系數,0.99;下沉,出現推跨事故的可能性較大,此時(shí)必須每隔K,一支柱增阻系數 ,0.95 ;5 m支設-架木垛,四角接頂要求平穩有力,從而Kb一支柱不均勻系數 , 0.95 ;增加整體支護結構的穩定性。在工作面進(jìn)出煤柱下采煤30m內,在條件允許的情況下,應合理調配K.一工作面傾角系數, 取1 ;人員，盡可能提高工作面推進(jìn)速度,以防止工作面Kh-采高系數 ,取0.9 ;長(cháng)時(shí)間受壓而使頂板進(jìn)一步惡化。b一柱距;中國煤化工a-排距;MHCN M H G,山東德州人,工程師，現n--支護密度。任新汶礦業(yè)(集團)有限責任公司翟鎮煤礦副礦長(cháng)。經(jīng)計算得: b=0.366m, n=3.415根/m2。3.2 煤柱下安全采煤的支護措施收稿日期: 2001-03- 05;責任編輯:曾康生由支護設計可知，柱距保持0.36 m才能滿(mǎn)足19