陈家山426煤柱留设计算探讨

1陈家山煤矿426综放工作面煤柱留设计算依据的探讨铜川矿业公司陈家山煤矿黄伟姬永飞摘要：为减少矿井资源损失,对陈家山煤矿426工作面设计进行优化，在426工作面设计方案中不再设计排水巷，减小煤柱宽度。根据上侧采空区积水情况，从安全生产的角度考虑，煤柱留设方案如下。关键词：资源损失，优化，煤柱宽度一、上侧422工作面及采空区水文地质情况于2011年10月29日开始回采，推采到400-924m段，工作面出水，水源主要为煤层顶板弱含水层水。生产过程中为了解决采空区煤层自燃发火问题进行了黄泥灌浆,采空区存有大量积水。开采结束封闭后，采空区积水标高最终为1025m，采空区积水量为42.7万m3。二、422与426工作面间煤（岩）柱宽度计算㈠防水煤（岩）柱宽度计算必须达到以下两个条件1、煤柱必须有足够的弹性核区，用以抵御采空区内的侧向静水压力；2、防水煤柱宽度能保证其两侧的导水裂隙发育高度在积水标高之下不贯通。㈡防水煤柱宽度计算煤柱屈服区宽度是确定煤柱宽度的关键。煤体开挖形成煤柱以后，上覆岩层施加的压力将重新分布，煤柱一定深度内形成支撑压力带。由于支撑压力的作用和开采扰动等因素的影响，煤壁一定深度内的煤岩已破坏。一般认为，煤柱边界处支撑压力为零，随着向煤柱内部深度的增加，支撑压力逐渐增大，直至达到峰值σ1。根据煤柱加载试验可以发现，在加载过程中煤柱的应力是变化的，如图1所示，从煤柱应力峰值σ1到煤柱边界这一区段，煤体应力已超过了屈服点，并向采空区有一定量的流动，从煤柱边界至支撑压力峰值这个区域称为煤柱的屈服区（或称塑性区）。屈服区向里的煤体变形较小，应力没有超过屈服点，大体符合弹性法则，这个区域被屈服区所包围，并受屈服区的约束，处于三轴应力状态，称为煤2柱核区（或称弹性核区）。422与426工作面之间煤柱计算考虑采动对煤柱破坏和影响作用，煤柱靠近采场一侧，由于支撑压力作用，煤层片帮，产生裂隙，形成屈服带，成为强渗透区，该部分煤体基本上已丧失隔水能力，成为具有极低阻水能力的煤柱残余储备带，真正起隔水作用的是煤柱的中间部分，即煤柱的弹性核区。因此工作面间煤柱由三部分组成，即由煤柱两端的屈服区（L1、L3）和中间的弹性核区(L2)组成，其结构如图1所示。图1煤柱屈服区及其弹性核区1、屈服区宽度计算影响煤柱屈服区宽度的因素很多,主要包括:煤层厚度或采煤厚度M、煤柱与顶底板界面的粘聚力C和摩擦角ψ、煤柱极限强度σzl、煤体的侧向约束力Px、屈服区与核区界面处的侧压力系数β、开采扰动因子d。采用如下公式进行煤柱屈服区宽度计算：2tanlntan2tantanpCCrxzlMdp式中：M—煤层厚度或采煤高度，M=5.8m；d—开采扰动因子,1.5-3.0,d=2.8；3ψ-煤体内的摩擦角，1o-35o，ψ=28o；β—屈服区与核区界面处的侧压力系数，一般等于煤体的泊松比μ，为0.25-0.40，β=0.27；C—煤层顶板接触面的粘聚力，一般为0.1-3MPa，C=3.0MPa；σzl—煤柱极限抗压强度，依据现场实测σzl=5.5MPa；Px—煤壁的侧向约束力，采空区内的煤柱不需要加固，其侧向约束力Px为零。代入计算：28tanln28tan28.28.5227.00.328tan5.50.3rp7.1m可知煤柱屈服宽度rp=7.1m则：422工作面一侧屈服区煤柱为7.1m。426工作面紧邻422工作面，各项条件相似，屈服区计算采用422工作面计算参数，该侧屈服区煤柱宽度也为7.1m。2、弹性核区宽度计算采用《煤矿防治水规定》提供的参照经验公式计算：KLpPKM35.02≥20m式中：K—安全系数（一般取2-5），K=2.5；M—煤层厚度或采煤厚度，M=5.8m；P—水头压力，422工作面采空区水头标高+1025m，426工作面设计最低点标高+930m，采区间煤柱所承受的水压为0.95MPa。Kp—煤层的抗张强度，Kp=0.55MPa；代入计算：55.095.038.55.25.02L16.5m取最大值L2=16.5m。3、防水煤柱宽度确定422与426工作面间煤柱宽度为：L=L1+L2+L3=7.1+16.5+7.1=30.7m4由于422灌浆巷已经充水且和422采空区有水力联系，因此，422灌浆巷与426运顺之间的煤柱宽度应不小于上述煤柱宽度。㈢防水岩柱宽度计算要求在防水岩柱的两侧，发育至最大高度的导水裂隙带不能在水位线标高以下相互贯通，具有一定的保护层厚度，即L5＞0，防水岩柱如图2所示。图2防水岩柱示意图1、采区岩移宽度计算公式利用覆岩移动和顶板导水裂隙带高度二者相结合的方法确定422工作面岩移影响带宽度（L4）和426工作面岩移影响带宽度（L6）。其计算公式如下：ctgHLLf64式中：Hf—导水裂隙带高度；M—累计采厚；δ—塌陷角,根据焦坪矿区煤层顶板覆岩特征为中硬型，δ取75°2、计算参数从上式中可以看出，防水岩柱宽度是主要确定导水裂隙带的高度。对于导水裂隙带高度的确定主要有两种方法：第一种：经验公式51.58.33.3100nMHf导水裂隙带高度一览表1煤层厚度分布位置采高（米）导水裂隙带高度（米）最薄处2.844.5最厚处6.596.6导高/采高=14.9-15.9。第二种：现场实测资料统计兖州兴隆庄矿探测：导高/采高=7.9-11.3兖州鲍点矿探测：导高/采高=11.58彬长煤田下沟矿探测：导高/采高=13兖州东滩矿探测：导高/采高=12.9现场实测统计结果显示，导高/采高=7.9-13按照导高/采高=13.0进行计算，结果如表2所示导水裂隙带高度一览表2煤层厚度分布位置采高（米）导水裂隙带高度（米）最薄处2.836.4最厚处6.584.5根据422工作面开采情况，采用综合机械化放顶煤时，机采高度为2.8m，最大放顶高度为3.7m，最大采高为6.5m。426工作面与422相似，采用相同参数。焦坪矿区实测的导高/采高=19.6，据此计算的导水裂隙带发育高度最大达6.5×19.6=127.4m，由于422采空区水位标高最高为1025m，与426最低点的高差最大为95m，因次煤柱宽度的设计控制在422采空区积水水位线高程处，导水裂隙带不惯通且有一定的保护层宽度（5m）即可。即95×ctg75°×2+5=55.9m3、防水岩柱宽度确定420与422工作面间岩柱宽度为:L=L4+L5+L6=25.5+5+25.5=56.0m三、防水煤（岩）柱宽度的确定6根据以上计算，422与426工作面之间留设煤（岩）柱宽度达56.0米可以满足426工作面防治水需要，422回顺与422灌浆巷之间留设了25米煤柱，422灌浆巷至426运顺间应至少留设31米煤柱。由于422灌浆巷对煤柱的隔水性能有直接影响，所以在422灌浆巷与426运顺之间留设的煤柱应适当放宽，确定为40米，422工作面与426工作面之间煤柱设计为69米，如图3所示。图图3422与426工作面之间煤柱留设示意图四、结论通过计算科学合理防水煤柱，能在保证安全的前提下，最大限度缩小面间煤柱尺寸，减少资源浪费。426与422工作面间煤柱通过计算最终确定留设宽度为69米，较传统留设方案缩小30米，使采区回收率提高10.9%，经济效益明显。为提高安全可靠度，本次留设煤柱在计算的基础上尚留有较大余地，通过开采实践，有望进一步缩小面间煤柱尺寸，提高资源回收率。参考文献（1）、国家安全监督管理局《煤矿防治水规定》2009（2）、煤炭科学研究院总院西安研究院《铜川陈家山煤矿418综放工作面水文地质条件研究及煤柱留设方案》2007