局部煤柱下安全采煤技术

第29卷第10期煤炭科学技术2001年10月局部煤柱下安全采煤技术杨光玉,贺兴元(新汶矿业(集团)有限责任公司翟镇煤矿,山东新泰271222 )摘要:以系统科学和控 制论的基本思想为指导, 通过对局部煤柱下采煤的矿压显现分析,采取了- -些相应的具体控制措施,对安全生产具有一定的指导定义。关键词:煤柱下采煤;矿压显现;控制中图分类号: TD823.53文献标识码: B文章编号: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 )在煤矿开采过程中,受地质条件的影响,不可合顶板，直接底为泥质粉砂岩, 厚0.5~3.6m,性避免地要留设部分煤柱,如果.上下分层之间的层间脆。距小于30 m,下层煤开采时将受到上层煤柱所形4403W工作面(图1b)直接顶为0~ 1.5 m厚成的集中应力影响,对下层煤的开采带来不安全因的泥质粉砂岩,性脆,伪顶为0.2~ 1.0 m厚的炭素。.因此研究煤柱下安全采煤技术是十分必要的。质泥岩,易冒落,老顶为3.0~5.5 m厚的细砂岩，直接底为0.2~ 1.5 m厚的泥质粉砂岩。1概况1.2 煤柱赋存状况翟镇煤矿3401W与4403W面都不同程度的存:3401 W工作面.上覆煤柱共有3处,自西向东依在上层工作面回采时留设的局部煤柱情况见图1。次分别为:第一处煤柱对应于3401W下部，走向长270 m,倾向平均45 m,形状极不规则,该采区段2、4煤层间距平均13.2 m,且3401W面断层裂工作面推进方肉媒柱2隙发育;第二处煤柱对应于全面,东部形状不规煤柱3则，走向平均120m,倾向170 m,此处2、4煤层间距16~23 m,工作面中上部为背斜构造;第三通输恭处煤柱对应于3401W中上部以下,走向平均27.5m,倾向103 m,形状较规则。.执道巷4403W工作面上覆煤柱有2处,自西向东依次煤生1为:第一处对应于4403W面开切眼位置,走向18m,倾向118m,2、4煤层间距24m;第二处煤柱，鄢柱2对应于4403W面上部,走向180m,倾向22 m,形状不规则,2、4煤层间距20mo烟输巷7H因5处煤柱的位置、尺寸、形状及本区段地质条件各有差异,其集中应力的显现程度也各有不同。在剧烈影响段,出现过顶梁折断,支柱压崩现象。支柱载荷平均27.5 MPa ,顶底板移近量平均310 mm ,超过控制顶板下沉量允许值。同时,煤壁片帮平均图2煤柱 -侧为采空区400 mm,最大1 100 mm,顶板破碎段较为普遍,轨道巷顶板局部出现裂隙,且冒顶形状多数形成人”字形,也曾出现过顶板台阶下沉，台阶错距100 ~ 450 mmo2.2 煤柱集中应力的形成图3煤柱两侧为采空区,煤柱宽度小于20 m2.2.1 集中应力的形成受不同条件的影响,留设煤柱后,因煤柱周围-侧或多侧为采空区,在采空区不断冒落、压实过程中,上方岩体的部分重量及采动过程中形成的超前支承压力便集中于煤柱之上,形成集中应力, 待稳定后,其应力集中系数可达2~3,此时,底板图4煤柱两侧为采空区,煤柱宽度大于20 m岩层处于.上覆岩层增大了的静压作用下,并随着煤层的开采,煤柱集中应力开始由静压向动压转变，(3)C型。当煤柱三侧为采空区或孤岛式煤而动压一旦形成,围岩应力又将重新分布,在此过柱,煤柱宽度小于30m(Cq型)时,应力分布规程中,上覆煤柱的集中应力将达到(3~5) yH( γ律类似于图3 ;煤柱宽度大于30m(C2型)时，应岩层容重,H采深),甚至(7~8)yH,从而对煤层力分布规律类似于图4,但其应力集中程度大于B开采构成威胁。型。其中A、B、C2型煤柱,集中应力主要集中在2.2.2 集中应力的分布规律煤柱边缘带20~ 30 m范围内,且应力集中系数为2煤柱的位置、尺寸及形状的不同,其集中应力~3 ,煤柱中部接近或略大于原岩应力。对于A型的形成也是不同的,并且应力集中的程度也各有区煤柱,实质上它类似于一个悬臂梁, - -端有固支别,根据其形成因素,大致可分为以下几种:点,煤柱下开采过程中,集中应力一般不会得到充(1)A型。当煤柱一侧为采空区时,其应力集分释中国煤化工大。而B、c型煤柱中程度较小,如图2所示。.应大MHCNMHG。(2)B型。当煤柱两侧为采空区时,煤柱宽度根据以上分类, 3401W工作面第-处煤柱属小于20m(B型)时,其应力集中情况如图3所C型，第二处煤柱属C2 型，第三处属C3型;示;煤柱宽度大于20m(B2型)时,其应力集中4403W工作面两处煤柱均属A型。17第29卷第10期煤炭科学技术2001年10月同时,重点应放在工作面防推跨上。(5~7)7H(3)根据上覆煤柱集中应力分布规律及工作面上覆岩层三带划分可知:2煤层煤柱位于裂隙带内,开采过程中,2煤层煤柱及其上覆岩层在形成裂隙的同时,伴随着小范围内的下沉运动,但是其较轻微的下沉运动,足以使4煤层基本顶岩梁早已形成的砌体梁平衡结构得到破坏,使基本顶由弯曲图5煤柱两侧为采空区 ,煤柱宽度大于30 m拉伸破断向剪切破断形式转化,从而促使4煤层顶另外,2、4煤层间距及4煤层顶底板条件，板下沉运动加剧,使基本顶下位岩层产生裂隙并加断层及裂隙发育状况都直接关系到4煤层开采过程大,也是工作面顶板时常发出动压响声的原因,裂隙间距的大小,使响声强弱也存在区别。中上覆煤柱的集中应力分布规律及影响程度。(4)对于不同类型的煤柱,随应力集中的范围2.3煤柱下采煤矿压 显现规律及集中程度不同,工作面开采时压力显现的强度也(1 )煤柱下开采,不仅承受自身上覆岩层的支各有区别,其应力影响及压力显现过程可概括为3承压力,而且承受来自煤柱的集中应力, 再加上开种形式:①弱一强→弱;②弱→强→弱→强→采超前压力影响，三者形成复合叠加应力,致使煤弱;③弱→强→强→弱。柱下开采压力异常。(5)根据集中应力在底板岩层中的传播规律及(2)根据上述煤柱类型分类可知:对于宽度大现场实测资料总结可知:不同类型的煤柱,不同的于60 m的煤柱,在工作面煤柱下开采推进30 m应力集中程度,其应力影响扩散角也不同,对于后,集中应力的影响逐渐减弱,在离开煤柱30 m .A、C2型煤柱,其应力影响扩散角在25~30°;对前,集中应力的显现程度又逐渐增强,这与3401WB、C,型煤柱,其扩散角较大,大约在45~55%。第二处煤柱下开采的压力显现是-致的。也就是(6)受工作面断层、背(向)斜构造及裂隙发说,宽度大于60m的煤柱,在其前后30m范围育程度影响,对煤柱集中应力的传递和扩散有干扰内,集中应力较强,需要加强综合支护，而在中间和变化,使集中应力的矿压显现表现为区段性,而范围内,应力集中程度较弱，-般对安全开采影响不是全面性,或者使集中应力的影响有所增强,或不大;对于宽度小于20 m的煤柱,由于长期受集者有所减弱。例如在3401W工作面第二处煤柱下中应力作用,其实际塑性区范围可能超出理论值。开采时,受背斜构造影响,工作面应力集中在工作也就是说,小于20m的煤柱,不存在有弹性核区面上部和下部，且上、下部显现强度也有不同。域,在煤柱由塑性变形向松动变形的转化过程中，(7)周期来压与集中应力的显现相互影响，相煤柱的集中应力得到部分或完全释放,从而对煤柱互促进。同期来压使集中应力显现进一步增强 ,而开采不构成影响。3401W 工作面第三处煤柱下端集中应力的影响使来压正常的周期步距减少。其( 3202w工作面部分)开采时的压力显现可证明这中,在应力集中较高范围内,遇到周期来压时，可一点。另外，对于4403W工作面第一 处煤柱存在使集中应力显现进一步 加剧;而在应力集中本来较一种特殊性 ,虽然其宽度小于20 m,其应力影响.小的范围内,周期来压过程中,可能引起集中应力也较小,但它不同于上述应力释放之说。除了前面增强,但目前未出现这种情况。所说其宽度18 m的煤柱类似于悬臂梁外;对于煤(8)在观测过程中发现，每一次较大的动压响柱宽度为20~60m的煤柱,自始至终受到集中应.声,都预示着煤壁前方直接顶肯定出现预生裂隙,力的影响，且影响程度较剧烈,个别情况下,即使且工作面推至此位置时.机道顶板出现”人”字劈加强了支护强度,也无法抗拒其顶板发生台阶下形中国煤化工沉。在3401W工作面第一处煤柱下开采时,工作HCNMH G面加强了木垛等特殊支护,顶板也较坚硬完整,可3燥仕下女主术燥技不的探索与应用在强大的集中应力作用下,还是发生了3次台阶下3.1工作面支护适 应性分析(以3401W面为例)沉。此类煤柱下开采应在尽量控制顶板台阶下沉的根据3401W工作面柱状图,正常状况下,3.018第29卷第10期煤炭科学技术2001年10月m中细砂岩为第一岩梁，3.1 m粉砂岩为第二岩支护强度需求,但是单纯增大支护密度,或者以梁, 2.9 m细砂岩、1.2 m的粉砂岩互层、1.8m粉0.7m为间距架设π型钢梁,不仅增加了施工难砂岩及2煤层共同构成第三岩梁,在整体上形成多度，多占用近- -半的柱梁。其施工中的可操作性也岩梁结构。正常情况下,基本顶岩层在弯拉破断时较差。因工作面顶板管理重点在于机道管理,结合所需支护强度:该特点及支护强度要求,把π型钢粱与贴帮柱联合Lo=4.33Mz+6.5使用。每隔1.5m支设一架π型钢梁,保持一梁二L = Lo/2.45柱,在两架π型钢梁之间机道内再支设2根贴帮柱,这样既能满足-定的支护要求,又可以及时维Pr = M2Yzfz + 2MεYε L/KrLK护机道顶板,特别是超前产生预生裂隙的顶板,可式中M,-直接顶厚度,取1.5 m;Lo-基本顶初次来压步距;防止刚裸露顶板的破碎冒顶,并对煤壁片帮起到一定的控制作用。周期来压步距;其次,留顶煤开采也是一种较好的方法之一。直接顶容重;有时,由于直接顶质量指数偏低,在集中应力作用f;直接顶悬顶系数 ;下,直接顶极易破碎,机道冒顶频繁。而留顶煤开P一所需支护强度 ;采后,-方面顶煤有-定塑性,在支架与顶板之间基本顶岩梁厚度,取3 m;起到一定的缓冲,对防止直接顶破碎具有积极作Lk- -控顶距 ,取3.7 m;用;另一方面,留顶煤对煤壁具有-定的“粘连”γE一基本顶容重 , 25 kN/m3 ;作用,防止或减轻了煤壁片帮的发生,现场实用也K一岩梁传递系数 ,取2。证明这一点，留顶煤前,片帮多发生在煤壁中上经计算可得: Lo= 19.4 m, L=8 m, Pr=部,使直接顶及早暴露而得不到及时支护;而留顶195. 16 kN/m2。即在煤柱影响下,基本顶出现剪切煤后,片帮多发生在煤壁中下部,且片帮深度也变破坏时所需支护强度:轻。目前,煤柱下留顶煤开采是最为行之有效的方考虑各方面因素,为安全起见,以基本顶3个法之一。岩梁同时切落为准计算,基本顶岩梁厚度取12 m,4结语公式同上，可得Pr= 648.6 kN/m2。煤柱影响下工作面支护设计:加强切顶线抬棚使用质量,使抬棚起到双重作n = Pr/R用。抬棚作为工作面特殊支护,同时也可作为正规Ri= hgK, KrK。KrR,支护作用,即把其初撑力由规定的50 kN提高到90kN,这样,既可以提高支护强度，又可以减少顶b=1na板的最终沉降值,防止顶板下沉量过大而导致机道式中R,一支柱实际支撑能力 ;顶板发生剪切破坏。R;一支柱额定 工作阻力;在集中应力剧烈影响阶段,由于顶板发生台阶kg-支柱工作系数,0.99;下沉,出现推跨事故的可能性较大,此时必须每隔K,一支柱增阻系数 ,0.95 ;5 m支设-架木垛,四角接顶要求平稳有力,从而Kb一支柱不均匀系数 , 0.95 ;增加整体支护结构的稳定性。在工作面进出煤柱下采煤30m内,在条件允许的情况下,应合理调配K.一工作面倾角系数, 取1 ;人员，尽可能提高工作面推进速度,以防止工作面Kh-采高系数 ,取0.9 ;长时间受压而使顶板进一步恶化。b一柱距;中国煤化工a-排距;MHCN M H G,山东德州人,工程师，现n--支护密度。任新汶矿业(集团)有限责任公司翟镇煤矿副矿长。经计算得: b=0.366m, n=3.415根/m2。3.2 煤柱下安全采煤的支护措施收稿日期: 2001-03- 05;责任编辑:曾康生由支护设计可知，柱距保持0.36 m才能满足19