A.H.威尔逊煤柱留设公式的改进及应用

魏 东,李文洲

(1.华能能源交通产业控股有限公司,北京 100362;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013; 3.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

A.H.威尔逊煤柱留设公式的改进及应用

魏 东1,2,李文洲2,3

(1.华能能源交通产业控股有限公司,北京 100362;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013; 3.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

常用的煤柱留设公式——A.H.威尔逊公式,因其假设条件致使实际工程应用中误差较大,为此,通过数值模拟软件对其进行了改进,并对比了不同锚杆支护条件下巷道围岩位移量,提出了一般条件下煤柱的留设公式。

A.H.威尔逊公式;煤柱公式;数值模拟;锚杆支护

通过诸多煤柱留设公式的比较,A.H.威尔逊公式因涉及参数较少且基本能符合工程需要,因而获得了广泛的应用。但因其假设条件致使实际工程应用中误差较大,如何对该公式进行改进,使之符合实际需要,是急待解决的现实问题。

1 威尔逊核区理论及区段煤柱公式

威尔逊以实验室中的三轴强度值和假设有一个未遭破坏的核柱区和遭破坏的塑性区为基础。该理论认为:煤柱周围为一个破坏带或让压带。

煤柱的屈服带宽度 Y可按下式计算:

式中,m为煤柱高度 (采高),m;H为采深,m。

图1 区段煤柱留设示意

如图 1所示,区段煤柱一侧为回采空间,一侧为采准巷道。采准巷道和回采空间煤柱两侧形成各自的塑性区,塑性区的宽度分别为 a,c。因此,区段煤柱保持稳定的基本条件为:煤柱两侧产生塑性变形以后,核区的宽度应不小于煤柱高度的 2倍。则煤柱的设计尺寸应为:

式中,a为巷道开挖后在煤柱中形成的塑性区宽度,m;b为煤柱留设所需核区宽度,m;c为上一工作面开采后,在煤柱中形成的塑性区宽度,m。

式中 c通过改进后的A.H.威尔逊公式进行计算,a通过对甘肃华亭矿具体条件下巷道开挖进行模拟,得出在给定断面条件下,巷道塑性破坏的一般范围。核区一般为煤柱高度的 2倍。下面将通过数值模拟对公式中的参数进行改进。

2 威尔逊公式的改进

模拟方案分为采深 500m,700m,900m和采高 3m,6m,9m,共 9种情况。对 9种方案下煤柱产生的塑性区大小和支护效果进行模拟。通过对模拟结果的对比分析,对威尔逊煤柱塑性区宽度计算公式进行改进。

模型设置时,煤层部分采用应变软化模型,其余部分采用摩尔模型。为保证模拟结果的准确度,模拟范围定为长 ×宽 ×高 =400m×40m×137m的区域,共 142100个区域和 156911个节点。不同方案的塑性区尺寸如表 1所示。

表 1 不同方案的塑性区尺寸和比例系数

从表 1中可以看出:模拟结果中,各方案的煤柱塑性区宽度与采深、采厚关系的比例系数λ (除采深 700m,采厚 9m)均大于 0.00492。在保证煤柱稳定的情况下,在相同采深时,比例系数随采厚的增大而减小。在采厚 6m时塑性区实际宽度与A.H.威尔逊理论塑性区宽度公式计算结果误差最大;在相同采厚时,比例系数随采深的增大而减小,尽管随着采深、采厚的增加,比例系数λ都在减小,但塑性区宽度都在增大。图 2为比例系数与采厚关系曲线。

图2 比例系数与采厚关系曲线

对于煤柱留设公式中参数 c的研究,λ取比例系数的平均值,即λ=0.00624,则可得深部厚煤层的塑性区宽度计算公式为:

3 巷道开挖后塑性区分析

原始模型仍采用上述模型,巷道断面为 3m× 4m。巷道开挖后,朔性区分布如图 3。

巷道开挖后,巷道左右两帮浅部先发生拉破坏,然后发生剪破坏,随着破坏的发展巷道深部基本都为剪切破坏。两帮发生塑性变形的范围为 3m左右。巷道两帮的位移接近 300mm,巷道顶底板位移接近400mm。

图3 塑性区域分布

采用高预应力锚杆支护系统后,巷道表面位移可以减少到原来的 40%～50%,即位移可以减小到 150mm左右。通过在模型中设置监测线可知:巷道开挖后,巷道煤柱帮位移大于 150mm的范围约 0.5m。则煤柱留设公式中 a的值约 2.5m。

通过数值模拟已经确定了式 (2)中的 a和 c,而对于中间项 b即煤柱核区的取值,文献 [1]认为 b应为不小于煤柱高度的 2倍。煤柱高度为 3m,即煤柱核区的宽度应不小于 6m。将上述各值代入公式 (2)中可得:

4 工程应用

华亭 250101综放工作面为华砚煤矿首采区(2501采区)的首采工作面,开采深度 700m左右。倾角 5～8°。煤层平均厚度为 37m。煤层分 3层开采,分层时以靠近底板 10m处的夹矸为界,夹矸下为一层,厚约 10m,夹矸上煤层平均分层,厚约 13.5m。该工作面采用走向长壁分层综采低位放顶煤采煤方法,改进后的煤柱留设公式应用于第一分层区段煤柱的留设,经计算煤柱的留设尺寸为21.6m,现场实施后,基本满足工程需要。

5 结论

结合数值模拟对威尔逊煤柱设计公式进行了改进,结合一般煤柱的留设模型,将煤柱尺寸分为 3部分,分别进行了讨论,得到了区段煤柱的留设公式:L=0.00624mH+8.5,并将改进后的煤柱留设公式应用于甘肃华砚煤矿,经现场生产实践后,能够满足工程需要。对现场煤柱留设起到了积极的指导作用。

[1]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

[2]吴立新,王金庄 .煤柱屈服区宽度计算及其影响因素分析[J].煤炭学报,1995,20(6):625-631.

[3]高 玮,姜学云 .条带开采中条带煤柱塑性区宽度分析[J].山西矿业学院学报,1997,15(2):142-147.

[4]A.H.威尔逊,孙家禄 .对确定煤柱尺寸的研究 [J].矿山测量,1973(1).

[5]王旭春,黄福昌,张怀新,等.A.H.威尔逊煤柱设计公式探讨及改进 [J].煤炭学报,2002,27(6):604-608.

[责任编辑:林 健]

Improvement and Application of A.H.W ilson’s Coal-pillar Design Formula

WEIDong1,2,L IWen-zhou2,3

(1.Huaneng Energy&Communication Holding Co.,Ltd,Beijing 100362,China; 2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;)

In order to reduce error of commonly used A.H.W ilson coal pillar design formula caused by assumed condition,the paper improved it by numerical simulation and compared roadway displacement under different anchored bolt supporting conditions.A coal pillar design for mula for normal condition was put forward.

A.H.W ilson for mula;coal-pillar design for mula;numerical s imulation;anchored bolt supporting

TD822.3

A

1006-6225(2010)06-0015-02

2010-07-21

魏 东 (1969-),男,甘肃会宁人,采矿高级工程师,在读博士研究生,现任华能能源交通产业控股有限公司副总经理。