大傾角綜放面區(qū)段保護煤柱的參數(shù)優(yōu)化研究

張 飛范文勝孫建嶺潘永前徐 麗

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010; 2.神華烏海能源公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市,016000)

★煤炭科技·開拓與開采 ★——兗州煤業(yè)股份公司協(xié)辦

大傾角綜放面區(qū)段保護煤柱的參數(shù)優(yōu)化研究

張 飛1范文勝1孫建嶺2潘永前2徐 麗1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010; 2.神華烏海能源公司,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市,016000)

運用理論分析和現(xiàn)場實測的方法,在保證安全回采的前提下,使煤柱參數(shù)達到最優(yōu)化。并用FLAC-3D建立模型進行計算分析,確保優(yōu)化參數(shù)的準(zhǔn)確性,保證相鄰工作面之間的保護煤柱尺寸合理安全。

急傾斜煤層 綜放工作面 保護煤柱 參數(shù) 優(yōu)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

研究綜放開采采準(zhǔn)巷道護巷煤柱穩(wěn)定性和護巷煤柱寬度的確定方法,使煤柱的留設(shè)既有利于巷道的維護,又盡量減少煤炭的損失,對提高綜放開采的回采率非常重要。目前,國內(nèi)外對區(qū)段煤柱的研究大都集中在緩傾斜煤層上。本文針對神華海渤灣公烏素煤礦1604大傾角超長綜放工作面,運用理論分析和現(xiàn)場實測的方法,在保證安全回采的前提下,使區(qū)段保護煤柱參數(shù)達到最優(yōu)化,并用FLAC -3D建立模型進行計算分析,確保參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1 工作面概況

神華海渤灣公烏素煤礦地處烏海南部半沙漠地帶,煤層賦存特點為埋藏淺、基巖薄和瓦斯含量低,地表覆蓋較厚風(fēng)積砂層。礦區(qū)共有可采煤層6層,16#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖,底板為砂巖,與上部15#煤層間距3～4 m,與下部17#煤層間距3～5 m。工作面 (切眼)沿煤層傾向布置,走向推進,走向長1900 m,傾向長300 m,煤層厚8.5 m,含矸5～7層,煤層傾角32～35°,煤層硬度系數(shù) f=1.0～1.5,工作面上回風(fēng)巷道和下運輸巷道斷面為矩形,沿16#煤層走向布置,緊貼底板掘進,1604工作面巷道布置如圖1所示。礦區(qū)無陷落柱巖漿侵入體和古河床沖刷現(xiàn)象。16#煤層1604回風(fēng)運輸巷掘進地段有微緩起伏不大的褶曲,預(yù)測該巷道掘進到360 m和420 m處會遇到3條斷層, 3條斷層對工作面生產(chǎn)有所影響。

圖1 1604工作面巷道布置圖

2 理論分析

應(yīng)用彈塑性極限平衡理論得到與采空側(cè)相鄰的巷道圍巖屈服區(qū)寬度x計算公式為:

式中:M——區(qū)段平巷高度,m;

α——煤層傾角;

β——屈服區(qū)與該區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù),β= μ/(1-μ),μ為泊松比;

φ0——煤體內(nèi)摩擦角;

C0——煤體粘聚力,MPa;

γ0——煤體平均體積力,MPa;

Px——冒落巖石、支護設(shè)施等對煤柱的側(cè)向約束力,MPa;

d——開采擾動系數(shù),d=1.5～3.0;

σyl——煤柱的極限強度,MPa。

煤柱的極限強度:

式中:λ——修正系數(shù),取0.4～0.8;

M1——采高,m;

γ——巖體平均體積力,MPa;

H——采深,m;

L——條帶煤柱長度,m;

應(yīng)用彈塑性極限平衡理論得到與采空側(cè)相鄰的巷道圍巖塑性區(qū)寬度R計算公式為:

式中:Pi——支護阻力,MPa;

r0——巷道等效半徑,m。

區(qū)段保護煤柱合理寬度B的計算公式應(yīng)為:

式中:k——安全系數(shù),k=1.15～1.45;

x——巷道圍巖屈服區(qū)寬度;

R——巷道圍巖塑性區(qū)寬度。

由以上分析看到,影響煤柱寬度大小的主要因素有采深、煤層傾角、煤體極限強度、煤體內(nèi)摩擦角和粘聚力、開采擾動系數(shù)、采空區(qū)側(cè)向約束力、巷道斷面大小和支護阻力等。

測得1604工作面參數(shù)為: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。

根據(jù)經(jīng)驗kM1H取0.225～0.25B,將現(xiàn)場實測參數(shù)代入公式(1)、(2)、(3)分別計算得到x和R的值,再將x和R的值代入公式 (4),計算得區(qū)段保護煤柱寬度為B=5.12～5.89 m。

3 現(xiàn)場實測

3.1 煤柱應(yīng)力測試方法和測點布置

公烏素煤礦運輸巷煤柱側(cè)為實體煤,回風(fēng)巷煤柱側(cè)為上一個工作面采空區(qū)。經(jīng)過調(diào)研,確定采用ZYJ-25型鉆孔應(yīng)力計對公烏素煤礦1604回采工作面運輸巷和回風(fēng)巷進行煤柱應(yīng)力測量。

測量方法是在1604工作面回風(fēng)巷、運輸巷各設(shè)一個測站,回風(fēng)巷測站位置在距工作面煤壁前方150 m處,運輸巷測站位置在距工作面煤壁前方80 m處?；仫L(fēng)巷測站安裝1～5號共5個應(yīng)力計,安裝位置分別在距巷道側(cè)向煤壁2 m、4 m、5 m、6 m、8 m深處。運輸巷測站安裝1～4號共4個應(yīng)力計,安裝位置分別在距巷道側(cè)向煤壁1 m、2 m、3 m、4 m深處。

3.2 煤柱所受應(yīng)力測試結(jié)果分析

(1)公烏素煤礦1604回風(fēng)巷測站測試結(jié)果。1604回風(fēng)巷煤柱煤體應(yīng)力計剛安裝后,各個測點應(yīng)力值比較接近,在6～7 MPa之間;隨著回采工作面的推近,在2號和3號測點的煤柱應(yīng)力值增加幅度比較大,在距回采工作面15～25 m處應(yīng)力值增加到最大值11 MPa;1號測點在距工作面20～25 m范圍內(nèi)應(yīng)力值增加到最大值,為8 MPa;4號和5號測點的應(yīng)力值增加幅度較為平緩。具體變化曲線如圖2所示。

圖2 1604回風(fēng)巷煤柱應(yīng)力曲線

當(dāng)工作面推進距測站20 m左右時,1號測點應(yīng)力計讀數(shù)開始減小,表明此時此處的煤體已經(jīng)進入屈服狀態(tài),煤柱所受應(yīng)力開始向深部轉(zhuǎn)移;2號和3號應(yīng)力計讀數(shù)在距回采工作面10 m時開始出現(xiàn)下降趨勢,下降速度沒有1號測點快,保持平緩下降;而4號和5號測點的應(yīng)力在回采工作面推進到測站時也沒有明顯的下降趨勢,而是一直保持緩慢增加的趨勢。

(2)公烏素煤礦1604運輸巷測站測試結(jié)果。1604運輸巷煤柱煤體應(yīng)力計剛安裝后,1號測點和2號測點應(yīng)力值比較小,為5 MPa左右。3號測點和4號測點應(yīng)力值在7 MPa左右。隨著回采工作面的推近,1號測點和2號測點應(yīng)力值增加比較快,在距回采工作面10～15 m處應(yīng)力值增加到最大值9.8 MPa;隨工作面繼續(xù)推進,1號測點和2號測點應(yīng)力值呈緩慢下降狀態(tài)。3號測點和4號測點應(yīng)力值隨工作面的推進一直保持緩慢增加趨勢,在回采工作面推進到測站時,應(yīng)力增大到9 MPa。具體變化曲線如圖3所示。

圖3 1604運輸巷煤柱應(yīng)力曲線

根據(jù)現(xiàn)場對1604工作面回風(fēng)巷道和運輸巷道煤柱應(yīng)力實測結(jié)果,考慮1604工作面巷道的支護情況,確定區(qū)段保護煤柱尺寸應(yīng)不小于6 m。

4 數(shù)值模擬計算分析

4.1 計算模型

采用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對區(qū)段保護煤柱的尺寸大小進行模擬計算。為了最大限度觀察到回采過程中采動側(cè)向支撐應(yīng)力的分布及保護煤柱的破壞情況,模型建立的尺寸要合理,考慮工作面長度300 m,兩巷道寬8.4 m,保護煤柱側(cè)邊界寬30 m,則模型寬度368.4 m;考慮煤層厚8.5 m,底板厚19.5 m,頂板厚151.5 m,模型的高度取179.5 m,模型的上邊界是地面。為了使觀察結(jié)果更可靠,考慮工作面在推進過程中受頂板來壓的影響,模型在工作面推進方向上長度為250 m。模型的上邊界為自由邊界,下邊界為固定邊界,左右和前后邊界為滾動邊界。整個模型共劃分為93795個單元和100320個節(jié)點。

沿走向方向推進,每次推進3 m,計算至平衡,以此循環(huán)。為了使模擬更符合實際,在計算過程中前10 m不放煤,10 m以后開始放煤,直接頂與基本頂依次呈倒臺階垮落狀態(tài),并考慮垮落后相應(yīng)巖體的碎脹系數(shù)和物理力學(xué)參數(shù),用巖塊來充填采空區(qū)。

4.2 模擬結(jié)果及分析

當(dāng)工作面推進到測站位置時,根據(jù)模擬計算結(jié)果得出。

(1)運輸巷保護煤柱的塑性區(qū)寬度為2 m,與現(xiàn)場實測結(jié)果相符合,并且和理論計算出來的煤柱屈服區(qū)接近。模擬計算得到的應(yīng)力值與幾個測點的應(yīng)力值基本相符。應(yīng)力最大值為9.02 MPa,分布在煤柱與頂?shù)装宓慕佑|處。集中區(qū)以外應(yīng)力逐漸降低,應(yīng)力值大小為7～8 MPa,分布在保護煤柱2～6 m范圍內(nèi),保護煤柱6 m以外所受應(yīng)力小于7 MPa。

回風(fēng)巷側(cè)保護煤柱的塑性區(qū)為3 m,與現(xiàn)場實測煤柱破壞結(jié)果基本相符,理論計算出來的煤柱屈服區(qū)寬度為2.12～2.26 m。但從模擬結(jié)果看到,當(dāng)工作面兩側(cè)都為實體煤時,理論計算結(jié)果與模擬結(jié)果相符;當(dāng)工作面有一側(cè)為上一工作面采空區(qū)時,這兩工作面之間保護煤柱的屈服區(qū)要比理論計算結(jié)果大,在以后的計算中應(yīng)該注意這一問題。從回風(fēng)巷側(cè)保護煤柱垂直方向上的應(yīng)力模擬得到,在距離巷道壁1～4m處的應(yīng)力最大,為8～9.5 MPa之間。距離巷道壁4～6 m處的應(yīng)力為6～8 MPa,距離巷道壁6 m以外的應(yīng)力4～6 MPa,模擬結(jié)果與實測結(jié)果非常接近。根據(jù)FLAC-3D數(shù)值模擬結(jié)果分析,1604工作面的保護煤柱應(yīng)留設(shè)6 m為宜。

5 結(jié)論

通過理論分析,公烏素煤礦1604工作面區(qū)段保護煤柱的尺寸為5.12～5.89 m,現(xiàn)場實測保護煤柱的尺寸至少要留設(shè)6 m,最后通過數(shù)值模擬軟件模擬計算保護煤柱的尺寸為6 m。分析總結(jié)以上3種方法的結(jié)果,最后得出:在保證安全回采的前提下,為了盡可能提高綜采放頂煤工作面的產(chǎn)量,提高煤炭資源回收率,1604工作面區(qū)段保護煤柱的尺寸應(yīng)留設(shè)6 m為宜。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

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

張飛 (1959-),男,教授,內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院院長,研究方向:巖石力學(xué)。