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大斗沟矿煤柱留设改进方案

云冈矿煤柱留设改进方案

方案I

通过理论计算和现场实测的方法确定煤柱的合理尺寸

一、合理确定煤柱的理论依据

1 煤柱破坏形式

当护巷煤柱承受的应力达到煤柱极限承载能力或煤柱变形达到极限时,煤柱将出现破坏,最常见的破坏形式有剪切破坏、纵向劈裂、沿弱面或断层破坏、煤柱压入底板出现底臌,如图1所示。

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2 煤柱的载荷

目前国内外的研究都认为,护巷煤柱的载荷是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上得部分重量引起的。如图2所示,一单位长度煤柱上得总载荷P 为:

γδ]4

cot )[(2D H D B P -+=

煤柱单位面积的平均载荷即平均应力为:

γδ

σ?-+==B

D H D B B P ]4cot )[(2

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式中 B---煤柱宽度,m ; D-采空区宽度,m ; H-巷道埋深,m ;

δ -采空区上覆岩层垮落角; γ-上覆岩层平均体积力,KN/㎡。

上述计算尽管经过简化,以平面问题代替空间问题,以均质的上覆岩层取代复杂的岩层赋存状况,不考虑煤柱边缘部分会产生应力集中以及由于煤柱边缘部分破坏引起应力向煤柱深部转移,未涉及上覆岩层的移动等;但迄今它仍为比较简单和实用的煤柱载荷估算方法,并认为平均应力是判断煤柱载荷的重要参数。 2.2 煤柱宽度的理论

护巷煤柱宽度的理论计算有按煤柱的允许应力,煤柱能承受的极

限载荷,以及按煤柱应力分布等多种方法。各种方法的基本观点都认为:煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷不超过它的极限强度 2.3 煤柱的应力分布

(1)一侧采空煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布架设采空区周围的煤柱处于弹性变形状态,煤柱的铅直应力分布如图3所示,随着与采空区边缘之间距离x 的增大,按负指数曲线关系衰减,在高应力作用下,从煤柱边缘到深部,都会出现塑性区(靠采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区),弹性区及原岩应力区,弹塑性变形状态下,煤柱的铅直应力分布如图3所示。

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煤柱的承载随着远离煤体边缘而明显增长。在距煤体边缘一定宽

度内,存在着煤柱的承载能力与支撑压力处于极限平衡状态。塑性区的宽度,即支撑压力峰值与煤体边缘之间的距离0x 为:

)cot (cot ln 21

0?ξ?γξC P C H K f m x ++=

式中K——应力集中系数

P——支架对煤帮的阻力;

1

m——煤层开采厚度;

C——煤体的粘聚力;

?——煤体的内摩擦角

f——煤层与顶板接触面的摩擦系数;

ξ——三轴应力系数、

在生产实际中,x的变化范围为3-20m,一般为5-12m。应力降低区宽度的变化范围为2-7m,一般为3-5m。

(2)两侧采空煤柱的弹塑性变形区及铅直应力的分布两侧均已采空的煤柱,其应力分布状态主要取决于回采引起的支撑压力影响距离L及煤柱宽度B,主要有3种类型。

○1B>3L时,煤柱中央的载荷为均匀分布,且为原岩应力γH。由于煤柱边缘应力集中,煤柱从边缘到中央,一般为破裂区,塑性区,弹性区,以及原岩应力区如图4所示。

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○2L<B<2L时,在煤柱中央由于支撑压力的叠加,应力大于γH,沿煤柱宽度方向应力呈马鞍形分布,弹塑性变形区及应力分布见

图5。

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○3B<L时,两侧边缘的支撑压力峰值将重叠在一起,煤柱中部的载荷急剧增大,应力趋向于均匀分布,如图6所示。受两侧采动影响时,K值可达到4-5以上,在煤柱中央可能因长期处于塑性流动状态而遭到严重破坏。

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3 护巷煤柱的稳定性

3.1 护巷煤柱的宽度

煤柱的宽度是影响煤柱的稳定性和巷道维护的主要因素。煤柱的宽度决定了巷道与回采空间的水平距离,影响到回采引起的支撑压力对巷道的影响程度及煤柱的载荷。煤柱的极限承载能力不仅取

决于煤柱的边界条件和力学性质,还取决于煤柱的几何尺寸和形状。 3.2 护巷煤柱保持稳定的条件

护巷煤柱一侧为回采空间,一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区,塑性区的宽度分别为

0x ,1x ,如图7所示。因此,护巷煤柱保持稳定的基本条件是;煤柱

两侧产生塑性变形后,在煤柱中央存在一定宽度的弹性核,弹性核的宽度应不小于煤柱高度的2倍。因此,即使在煤柱内开掘一条非常窄的巷道,也会引起煤柱应力重新分布,造成有效支撑面积减少,煤柱支撑能力急剧下降。

102x m x B ++=

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4 煤柱尺寸的计算

4.1 煤柱尺寸的理论计算值

根据岩体极限平衡理论,塑性区的宽度,即支撑压力峰值与煤体边缘之间的距离0x 的公式如下:

)cot (cot ln 21

0?ξ?γξC P C H K f m x ++=

对于云冈矿地质和煤层赋存条件,参数选取的原则为:应力集中系数K ,一侧采动时,取为2.5,两侧采动时取为4.0;支架对煤帮的阻力1P 取为0;m 为采高,由于煤层采高与巷道高度不同,开率开采的综合影响,m 取为采高与巷道高度之和的1/2;C 为煤体的粘聚力,通常取为煤体式样粘聚力的0.45-0.75;f 为煤体的内摩擦角;?为煤层与顶底板接触面的摩擦系数,4/tan ?=f ;ξ为三轴应力系数,

)sin 1/()sin 1(??ξ-+=

二、实施方案及需要的技术支持

1、建议取我矿8#层408盘区做为研究对象。由科研单位建立模型测定煤层的具体力学参数(包括煤的体积模量、剪切模量、容重、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度)。依据极限平衡理论,计算煤柱留设的理论宽度。

2、为了解井下煤柱实际受力情况,在5803巷、2803巷、5805巷共布置6个测站,每个测站5个钻孔压力计(钻孔深度1m 、2.5m 、4m 、5.5m 、7m 、),共30台钻孔应力计,对工作面朝前和滞后巷道煤柱应力进行观测。煤柱应力测量测站布置图和测站钻孔布置下图所示。根据测站的具体测量数据绘制煤柱支撑力随深度变化曲线,验证理论煤柱宽度的合理性。

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煤层应力测量测站布置图

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测站钻孔布置图

方案II

使用无煤柱开采方法

一、无煤柱开采简介

1、沿空留巷

将已采工作面后方的运输顺槽或回风顺槽用一定方法沿采空区保留下来,作为下一工作面的顺槽,称为沿空留巷,在回采过程中沿采空区边缘利用钢筋混凝土支座、充填带、密集支柱、木垛等方法,维护上区段的运输平巷,留作下区段回风平巷之用。在采煤过程中不留护巷煤柱而用其他方式维护巷道的开采技术。优点是回采率高,可以减少冲击地压,掘进率低,巷道维修费少。

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(一)沿空留巷巷旁支护形式

(1)木垛。在无冒落岩石、顶板缓慢下沉时采用较多,但坑木消耗大,现已很少使用。

(2)料石块砌带做巷旁支护,此种支护形式因成本高现一般不采用。

(3)煤矸渣水泥墙。用煤矸渣水泥墙(混合比例是水泥:煤粉:矸石=l:l:3)做巷旁护巷,就地取材,施工方便。

(4)混合式巷旁支护

(5)水灰渣速凝充填材料

主料(甲料):硫铝酸盐水泥熟料、超缓凝剂、悬浮剂

其中超缓凝剂的作用是保证较长时间的可泵性,悬浮剂可以提高主料固体颗粒悬浮性,从而避免沉降泌水现象。

配料(乙料):石膏、石灰、速凝早强剂等多种材料配制而成。高水灰渣速凝材料的高水灰比为2.0:1—2.5:1,掺入一定量的工业废渣(粉煤灰、炉渣、烟道灰、矸石粉等)组成,制成的浆渍水体积占到70%以上。

大斗沟矿煤柱留设改进方案

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(6)胶凝材料

主要有42.5水泥、天然硬石膏(或氟石膏)、矿渣、粉煤灰等,外加剂分别采用防离析剂、早强剂以及塑化剂A、塑化剂B 等,骨料是破碎成一定粒度的煤矸石或石子及细砂(砂率60%)等。

皖北煤电集团卧龙湖煤矿103机巷、103风巷充填支护,1年多来未发生由于材料本身强度或其他原因而发生开裂或落成块的现象。

2、沿空掘巷

在上一区段回采完毕,采空区冒落严实,围岩活动相对稳定后,再沿采空区和煤体边缘掘进巷道,称为沿空掘巷。沿空掘巷工艺可以不留煤柱,完全沿采空区掘进,也可以保留3~5m宽的小煤柱

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(一)沿空掘巷支护

(1)矿用工字钢梯形棚支护

(2)U型棚支护

(3)锚杆支护

3、巷内预置充填带无煤柱开采技术

即在上区段回采工作面前方的运输平巷内,紧靠下一区段的巷帮煤壁,预置一条矸石混凝土巷内充填带,下区段回风平巷掘进时,沿预置的充填带进行掘进,实现厚煤层工作面无煤柱开采,用预置充填带把上下2个区段间应留设的区段煤柱置换出来。

(1)充填材料:以矸石渣为主辅以少量水泥、河沙加水混合而成的胶结体,水泥、河沙、矸石渣按1:1:4.7质量比例进行配比。

大斗沟矿煤柱留设改进方案

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二、无煤柱开采 1、方案确定

以上三种无煤柱开采方式,其中第二种(巷内预置充填带无煤柱开采技术)可以有效隔离采空区,新工作面不易受到采空区内废水、瓦斯的影响,故建议使用此技术。 2、具体实施步奏

大斗沟矿煤柱留设改进方案

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2.1 在我矿8#层404盘区8411与8413工作面间掘宽巷(宽×高=7.2m ×2.6m ),在煤柱侧充填胶结体,如下图所

8413工作面充填体

(c)

8411工作面(开采后)

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2.2 待8411工作面回采完毕,采空区冒落严实,围岩活动相对稳定后采空区沿充填带掘进5413巷。

3、存在的问题

1、须优化充填材料与充填工艺,详细论证充填过程中,材料运输,施工,及因选用此技术对采掘接替造成的影响。

2、严格矿压观测,根据充填及新掘巷道过程中围岩应力的变化,掌握变化规律。及时调整巷道的支护形势,确保安全。

3、实施前须进行成本核算,比较充填成本与多回收煤柱所带来的效益。在经济上验证该方案的可行性。