大倾角综放面区段保护煤柱的参数优化研究

张 飞范文胜孙建岭潘永前徐 丽

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古自治区包头市,014010; 2.神华乌海能源公司,内蒙古自治区乌海市,016000)

★煤炭科技·开拓与开采 ★——兖州煤业股份公司协办

大倾角综放面区段保护煤柱的参数优化研究

张 飞1范文胜1孙建岭2潘永前2徐 丽1

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古自治区包头市,014010; 2.神华乌海能源公司,内蒙古自治区乌海市,016000)

运用理论分析和现场实测的方法,在保证安全回采的前提下,使煤柱参数达到最优化。并用FLAC-3D建立模型进行计算分析,确保优化参数的准确性,保证相邻工作面之间的保护煤柱尺寸合理安全。

急倾斜煤层 综放工作面 保护煤柱 参数 优化

AbstractThe use of theoretical analysis and field measurement methods ensure that parameters of coal pillar reach optimization at the premise of safe mining.The use of FLAC-3D modeling calculation and analysis ensures the accuracy of optimized parameters.This ensures the rationalized sizes and safety features of the protective coal pillars between adjacent faces.

Key wordssteeply inclined coal seam,top coal caving longwall face,protective coal pillar, parameter optimization

研究综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性和护巷煤柱宽度的确定方法,使煤柱的留设既有利于巷道的维护,又尽量减少煤炭的损失,对提高综放开采的回采率非常重要。目前,国内外对区段煤柱的研究大都集中在缓倾斜煤层上。本文针对神华海渤湾公乌素煤矿1604大倾角超长综放工作面,运用理论分析和现场实测的方法,在保证安全回采的前提下,使区段保护煤柱参数达到最优化,并用FLAC -3D建立模型进行计算分析,确保参数的准确性。

1 工作面概况

神华海渤湾公乌素煤矿地处乌海南部半沙漠地带,煤层赋存特点为埋藏浅、基岩薄和瓦斯含量低,地表覆盖较厚风积砂层。矿区共有可采煤层6层,16#煤层顶板为砂质泥岩,底板为砂岩,与上部15#煤层间距3～4 m,与下部17#煤层间距3～5 m。工作面 (切眼)沿煤层倾向布置,走向推进,走向长1900 m,倾向长300 m,煤层厚8.5 m,含矸5～7层,煤层倾角32～35°,煤层硬度系数 f=1.0～1.5,工作面上回风巷道和下运输巷道断面为矩形,沿16#煤层走向布置,紧贴底板掘进,1604工作面巷道布置如图1所示。矿区无陷落柱岩浆侵入体和古河床冲刷现象。16#煤层1604回风运输巷掘进地段有微缓起伏不大的褶曲,预测该巷道掘进到360 m和420 m处会遇到3条断层, 3条断层对工作面生产有所影响。

图1 1604工作面巷道布置图

2 理论分析

应用弹塑性极限平衡理论得到与采空侧相邻的巷道围岩屈服区宽度x计算公式为:

式中:M——区段平巷高度,m;

α——煤层倾角;

β——屈服区与该区界面处的侧压系数,β= μ/(1-μ),μ为泊松比;

φ0——煤体内摩擦角;

C0——煤体粘聚力,MPa;

γ0——煤体平均体积力,MPa;

Px——冒落岩石、支护设施等对煤柱的侧向约束力,MPa;

d——开采扰动系数,d=1.5～3.0;

σyl——煤柱的极限强度,MPa。

煤柱的极限强度:

式中:λ——修正系数,取0.4～0.8;

M1——采高,m;

γ——岩体平均体积力,MPa;

H——采深,m;

L——条带煤柱长度,m;

应用弹塑性极限平衡理论得到与采空侧相邻的巷道围岩塑性区宽度R计算公式为:

式中:Pi——支护阻力,MPa;

r0——巷道等效半径,m。

区段保护煤柱合理宽度B的计算公式应为:

式中:k——安全系数,k=1.15～1.45;

x——巷道围岩屈服区宽度;

R——巷道围岩塑性区宽度。

由以上分析看到,影响煤柱宽度大小的主要因素有采深、煤层倾角、煤体极限强度、煤体内摩擦角和粘聚力、开采扰动系数、采空区侧向约束力、巷道断面大小和支护阻力等。

测得1604工作面参数为:M=3 m,α=32～35°,μ=0.32,β=0.47,φ0=30°,C0=1.7 MPa,γ0=0.014 MPa,Px=0,r0=2.8 m,d=1.8,Pi=0,H=250 m,γ=0.025 MPa。

根据经验kM1H取0.225～0.25B,将现场实测参数代入公式(1)、(2)、(3)分别计算得到x和R的值,再将x和R的值代入公式 (4),计算得区段保护煤柱宽度为B=5.12～5.89 m。

3 现场实测

3.1 煤柱应力测试方法和测点布置

公乌素煤矿运输巷煤柱侧为实体煤,回风巷煤柱侧为上一个工作面采空区。经过调研,确定采用ZYJ-25型钻孔应力计对公乌素煤矿1604回采工作面运输巷和回风巷进行煤柱应力测量。

测量方法是在1604工作面回风巷、运输巷各设一个测站,回风巷测站位置在距工作面煤壁前方150 m处,运输巷测站位置在距工作面煤壁前方80 m处。回风巷测站安装1～5号共5个应力计,安装位置分别在距巷道侧向煤壁2 m、4 m、5 m、6 m、8 m深处。运输巷测站安装1～4号共4个应力计,安装位置分别在距巷道侧向煤壁1 m、2 m、3 m、4 m深处。

3.2 煤柱所受应力测试结果分析

(1)公乌素煤矿1604回风巷测站测试结果。1604回风巷煤柱煤体应力计刚安装后,各个测点应力值比较接近,在6～7 MPa之间;随着回采工作面的推近,在2号和3号测点的煤柱应力值增加幅度比较大,在距回采工作面15～25 m处应力值增加到最大值11 MPa;1号测点在距工作面20～25 m范围内应力值增加到最大值,为8 MPa;4号和5号测点的应力值增加幅度较为平缓。具体变化曲线如图2所示。

图2 1604回风巷煤柱应力曲线

当工作面推进距测站20 m左右时,1号测点应力计读数开始减小,表明此时此处的煤体已经进入屈服状态,煤柱所受应力开始向深部转移;2号和3号应力计读数在距回采工作面10 m时开始出现下降趋势,下降速度没有1号测点快,保持平缓下降;而4号和5号测点的应力在回采工作面推进到测站时也没有明显的下降趋势,而是一直保持缓慢增加的趋势。

(2)公乌素煤矿1604运输巷测站测试结果。1604运输巷煤柱煤体应力计刚安装后,1号测点和2号测点应力值比较小,为5 MPa左右。3号测点和4号测点应力值在7 MPa左右。随着回采工作面的推近,1号测点和2号测点应力值增加比较快,在距回采工作面10～15 m处应力值增加到最大值9.8 MPa;随工作面继续推进,1号测点和2号测点应力值呈缓慢下降状态。3号测点和4号测点应力值随工作面的推进一直保持缓慢增加趋势,在回采工作面推进到测站时,应力增大到9 MPa。具体变化曲线如图3所示。

图3 1604运输巷煤柱应力曲线

根据现场对1604工作面回风巷道和运输巷道煤柱应力实测结果,考虑1604工作面巷道的支护情况,确定区段保护煤柱尺寸应不小于6 m。

4 数值模拟计算分析

4.1 计算模型

采用FLAC-3D数值模拟软件对区段保护煤柱的尺寸大小进行模拟计算。为了最大限度观察到回采过程中采动侧向支撑应力的分布及保护煤柱的破坏情况,模型建立的尺寸要合理,考虑工作面长度300 m,两巷道宽8.4 m,保护煤柱侧边界宽30 m,则模型宽度368.4 m;考虑煤层厚8.5 m,底板厚19.5 m,顶板厚151.5 m,模型的高度取179.5 m,模型的上边界是地面。为了使观察结果更可靠,考虑工作面在推进过程中受顶板来压的影响,模型在工作面推进方向上长度为250 m。模型的上边界为自由边界,下边界为固定边界,左右和前后边界为滚动边界。整个模型共划分为93795个单元和100320个节点。

沿走向方向推进,每次推进3 m,计算至平衡,以此循环。为了使模拟更符合实际,在计算过程中前10 m不放煤,10 m以后开始放煤,直接顶与基本顶依次呈倒台阶垮落状态,并考虑垮落后相应岩体的碎胀系数和物理力学参数,用岩块来充填采空区。

4.2 模拟结果及分析

当工作面推进到测站位置时,根据模拟计算结果得出。

(1)运输巷保护煤柱的塑性区宽度为2 m,与现场实测结果相符合,并且和理论计算出来的煤柱屈服区接近。模拟计算得到的应力值与几个测点的应力值基本相符。应力最大值为9.02 MPa,分布在煤柱与顶底板的接触处。集中区以外应力逐渐降低,应力值大小为7～8 MPa,分布在保护煤柱2～6 m范围内,保护煤柱6 m以外所受应力小于7 MPa。

回风巷侧保护煤柱的塑性区为3 m,与现场实测煤柱破坏结果基本相符,理论计算出来的煤柱屈服区宽度为2.12～2.26 m。但从模拟结果看到,当工作面两侧都为实体煤时,理论计算结果与模拟结果相符;当工作面有一侧为上一工作面采空区时,这两工作面之间保护煤柱的屈服区要比理论计算结果大,在以后的计算中应该注意这一问题。从回风巷侧保护煤柱垂直方向上的应力模拟得到,在距离巷道壁1～4m处的应力最大,为8～9.5 MPa之间。距离巷道壁4～6 m处的应力为6～8 MPa,距离巷道壁6 m以外的应力4～6 MPa,模拟结果与实测结果非常接近。根据FLAC-3D数值模拟结果分析,1604工作面的保护煤柱应留设6 m为宜。

5 结论

通过理论分析,公乌素煤矿1604工作面区段保护煤柱的尺寸为5.12～5.89 m,现场实测保护煤柱的尺寸至少要留设6 m,最后通过数值模拟软件模拟计算保护煤柱的尺寸为6 m。分析总结以上3种方法的结果,最后得出:在保证安全回采的前提下,为了尽可能提高综采放顶煤工作面的产量,提高煤炭资源回收率,1604工作面区段保护煤柱的尺寸应留设6 m为宜。

[1]宋选民,窦江涛.浅埋煤层回采巷道合理煤柱宽度的实测研究 [J].矿山压力与顶板管理,2003(3)

[2]张耀荣,高慧.影响护巷煤柱宽度的因素分析 [J].煤,2001(1)

[3]贾光胜,康立军.综放开采采准巷道护巷煤柱稳定性研究 [J].煤炭学报,2002(1)

[4]吴立新,王金庄.煤柱宽度的计算公式及其影响因素分析 [J].矿山测量,1997(1)

[5]吴立新,王金庄,郭增长.煤柱设计与监测基础[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000

[6]李洪武.综放开采区段煤柱应力分布及其尺寸优化[J].煤炭科学技术,2008(8)

(责任编辑 张毅玲)

Top coal caving long wall face:section protection coal pillar parameter optimization

Zhang Fei1,Fan Wensheng1,Sun Jianling2,Pan Yongqian2,Xu Li1
(1.College of Resources and Security,Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou,Inner Mongolia Autonomous Region 014010,China; 2.Shenhua Wuhai Energy Co,Wuhai,Inner Mongolia Autonomous Region 016000,China)

TD822.3

A

张飞 (1959-),男,教授,内蒙古科技大学矿业工程学院院长,研究方向:岩石力学。