特厚煤层大巷保护煤柱宽度数值模拟研究

姬王鹏,刘长友,郭卫彬,王 晓,刘 锋

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

特厚煤层大巷保护煤柱宽度数值模拟研究

姬王鹏1,2,刘长友1,2,郭卫彬1,2,王 晓1,2,刘 锋1,2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116)

保护煤柱宽度的留设是煤矿安全经济开采的重要影响因素。通过UDEC数值模拟分析安家岭二号井工矿B902综放工作面的合理停采线位置,即在保证回撤通道稳定的前提下,既能保证辅运大巷不受破坏,又能使煤炭资源损失最小的煤柱宽度。

数值分析;保护煤柱;综放工作面

对于受采动影响巷道,其维护状况除了受巷道所处位置的自然因素影响之外,主要取决于采动影响[1]。工作面回采后,工作面超前支承压力对巷道的影响最大,超前支承压力影响范围一般为 40～60m,峰值距煤壁一般为 4～8m[2]。

现阶段由于缺乏有效的正确的大巷保护煤柱留设宽度的计算方法与原则,许多矿井大巷保护煤柱留设不合理,过大造成资源浪费,过小导致巷道严重变形,影响巷道正常使用[3-4]。

对安家岭二号井工矿大巷受采动影响下巷道的变形破坏进行研究,在综合考虑安全回撤通道位置[5-7]的前提下,采用数值模拟研究分析在不同宽度的保护煤柱下大巷周边的应力场分布,塑性破坏分布以及周围围岩的变形情况,确定大巷保护煤柱的合理留设宽度。

1 工程概况

B902综放工作面位于安家岭二号井工矿西部,其南为 3条大巷保护煤柱线,北为安太堡露天矿,西为B901工作面采空区,东为B903设计工作面。工作面可采走向长度为 1415m,面长为 300m,煤层厚度平均 13.76m,煤层平均倾角 3°,基本顶为粉砂岩,约 4.64～8.25m,直接顶为砂质泥岩2.36～5.83m,直接底为泥灰层及泥岩,约 0.91～5.13m。B902工作面为倾斜长壁后退式全部垮落法综合机械化放顶煤开采,机采高度 3.46m,平均放煤高度 10.3m,采放比为 1∶3。辅运大巷离工作面最近,所以只需考虑辅运大巷的保护煤柱宽度即可。输运大巷和工作面布置平面见图 1。

图1 辅运大巷和工作面平面布置

2 研究内容与目的

通过UDEC数值模拟对在不同煤柱宽度下辅运大巷的稳定性进行研究,从而确定合理煤柱尺寸的大小,做到既能保证辅运大巷不受破坏,又防止大巷保护煤柱的宽度太大浪费资源。

3 数值模型的建立

根据安家岭二号井工矿B902综放工作面地质条件和生产技术条件,建立模型长 200m,高 62.7m。模型中岩体、节理变形破坏模型均为摩尔 -库伦模型。数值模拟中各煤岩层力学参数如表 1。

表1 煤岩层块的力学参数

建立数值模拟模型,如图 2所示。

图2 数值模拟模型

根据综采 (放)工作面回撤通道矿压显现规律的有关研究成果可知[7-8],回撤通道一般确定在断裂的基本顶关键块下比较合适,根据现场矿压观测的结果得出基本顶的来压步距为 15m[6-7]。

根据基本顶来压步距和来压与工作面推进位置关系,运用数值模拟,分别计算终采线在 3个关键块下 (即大巷保护煤柱分别为65m,50m和35m),大巷周边应力分布和大巷的变形破坏情况。

4 大巷保护煤柱宽度的分析

4.1 不同煤柱尺寸大巷周边的应力场分布

图 3 不同煤柱宽度大巷周围应力场分布

从图 3可以看出,当煤柱为 65m时,工作面前方的超前支承压力影响范围为 27m,最大值为12MPa;当煤柱为 50m时,支承压力的影响范围为25m,最大值为 12MPa;当煤柱为 65m和 50m时,工作面煤炭采出,形成的超前支承压力没有明显影响到大巷,大巷周边的应力水平没有明显的增加。煤柱为35m时,采煤工作面前方的超前支承压力已经影响到大巷,影响范围为 35m,支承压力最大值为 10MPa,影响范围变大,但是峰值降低,是煤柱不稳定的前兆,辅运大巷工作面侧的最大压力为6MPa。

4.2 塑性破坏场分布

不同煤柱宽度时的煤柱和大巷塑性区分布如图4所示。

图4 不同煤柱宽度时煤柱与大巷周边岩体的塑性破坏场分布

从图 4可以看出,煤柱为 65m时,塑性破坏超前工作面 17m,煤柱为 50m时,塑性破坏超前工作面 18m;煤柱 65m和 50m时,大巷周边塑性破坏没有明显变化。煤柱为 35m时,塑性破坏超前工作面 30m,塑性破坏的宽度明显增加,且大巷周边塑性破坏明显增加。

4.3 大巷的围岩变形情况

不同煤柱宽度时,辅运大巷的顶板下沉量和帮鼓情况如图 5和图 6所示。

从图 5和图 6中可以看出,煤柱为 65m时,大巷的顶板下沉量为 8mm、帮鼓量为 3mm;煤柱为50m时,大巷的顶板下沉量为5mm、帮鼓量为3.5mm;煤柱为 35m时,顶板下沉量为 78mm、帮鼓量为40mm。

图5 辅运大巷的顶板下沉量

图6 辅运大巷的帮鼓量

5 结论

从对 3个不同宽度煤柱的计算,可以看出,煤柱在65m和50m时,辅运大巷的破坏变形情况都相差不大,在煤柱为 35m时,回撤通道的塑性破坏严重,煤柱大部分出现塑性破坏,大巷的变形破坏严重。所以,煤柱留设 50m是合理的,35m时大巷不稳定,65m时则造成煤炭资源的浪费。

[1]徐永圻 .煤矿开采学 [M].徐州:中国矿业大学出版社, 1999.

[2]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.

[3]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[4]韩炎斌,刘雅俊,王志文,等 .简化保安煤柱的留设方法[J].煤,1998(3).

[5]王 晓,姬王鹏,李西蒙,等 .特厚煤层综放工作面回撤通道位置的研究确定 [J].煤炭技术,2010(8).

[6]吴吉南,冯学武,刘保宽 .重型综放工作面无预回撤通道快速撤出技术 [J].煤炭科学技术,2008(5).

[7]平朔煤炭工业公司安家岭二号井工矿 .重型综放工作面煤机自掘通道快速撤除技术研究 [R].朔州:平朔煤炭工业公司,2007.

[8]刘加旺,姚有利 .综采工作面回撤通道及其矿压显现规律研究 [J].煤炭工程,2009(9).

[责任编辑:周景林]

Numerical Simulation of Coal PillarW idth for Protecting Ma in Roadway in Extremely Thick Coal Seam

J IWang-peng1,2,L IU Chang-you1,2,GUO Wei-bin1,2,WANG Xiao1,2,L IU Feng1,2

(1.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China; 2.State KeyLaboratory of Resource&SafetyMining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

Design for protective coal pillar’swidth is an important influence factor for safety and economicalmining of coalmine.This paper analyzed and obtained rational terminalmining location ofB902 Full-mechanized CavingMining Face with UDEC sof tware.Coal pillarwidth determined by thismethod could protect assistant transportation roadway and reduce coal resource loss.

numerical simulation;protective pillar;full-mechanized cavingmining face

TD822.3

A

1006-6225(2010)05-0032-03

2010-06-17

国家重点基础研究发展计划 (2007CB209400),国家自然科学基金项目 (50774079)

姬王鹏 (1986–),男,山西晋城人,研究生,从事矿山岩体力学与放顶煤开采方面的研究。