特厚煤層大巷保護(hù)煤柱寬度數(shù)值模擬研究

姬王鵬,劉長友,郭衛(wèi)彬,王 曉,劉 鋒

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

特厚煤層大巷保護(hù)煤柱寬度數(shù)值模擬研究

姬王鵬1,2,劉長友1,2,郭衛(wèi)彬1,2,王 曉1,2,劉 鋒1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116)

保護(hù)煤柱寬度的留設(shè)是煤礦安全經(jīng)濟開采的重要影響因素。通過UDEC數(shù)值模擬分析安家?guī)X二號井工礦B902綜放工作面的合理停采線位置,即在保證回撤通道穩(wěn)定的前提下,既能保證輔運大巷不受破壞,又能使煤炭資源損失最小的煤柱寬度。

數(shù)值分析;保護(hù)煤柱;綜放工作面

對于受采動影響巷道,其維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響之外,主要取決于采動影響[1]。工作面回采后,工作面超前支承壓力對巷道的影響最大,超前支承壓力影響范圍一般為 40～60m,峰值距煤壁一般為 4～8m[2]。

現(xiàn)階段由于缺乏有效的正確的大巷保護(hù)煤柱留設(shè)寬度的計算方法與原則,許多礦井大巷保護(hù)煤柱留設(shè)不合理,過大造成資源浪費,過小導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形,影響巷道正常使用[3-4]。

對安家?guī)X二號井工礦大巷受采動影響下巷道的變形破壞進(jìn)行研究,在綜合考慮安全回撤通道位置[5-7]的前提下,采用數(shù)值模擬研究分析在不同寬度的保護(hù)煤柱下大巷周邊的應(yīng)力場分布,塑性破壞分布以及周圍圍巖的變形情況,確定大巷保護(hù)煤柱的合理留設(shè)寬度。

1 工程概況

B902綜放工作面位于安家?guī)X二號井工礦西部,其南為 3條大巷保護(hù)煤柱線,北為安太堡露天礦,西為B901工作面采空區(qū),東為B903設(shè)計工作面。工作面可采走向長度為 1415m,面長為 300m,煤層厚度平均 13.76m,煤層平均傾角 3°,基本頂為粉砂巖,約 4.64～8.25m,直接頂為砂質(zhì)泥巖2.36～5.83m,直接底為泥灰層及泥巖,約 0.91～5.13m。B902工作面為傾斜長壁后退式全部垮落法綜合機械化放頂煤開采,機采高度 3.46m,平均放煤高度 10.3m,采放比為 1∶3。輔運大巷離工作面最近,所以只需考慮輔運大巷的保護(hù)煤柱寬度即可。輸運大巷和工作面布置平面見圖 1。

圖1 輔運大巷和工作面平面布置

2 研究內(nèi)容與目的

通過UDEC數(shù)值模擬對在不同煤柱寬度下輔運大巷的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,從而確定合理煤柱尺寸的大小,做到既能保證輔運大巷不受破壞,又防止大巷保護(hù)煤柱的寬度太大浪費資源。

3 數(shù)值模型的建立

根據(jù)安家?guī)X二號井工礦B902綜放工作面地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件,建立模型長 200m,高 62.7m。模型中巖體、節(jié)理變形破壞模型均為摩爾 -庫倫模型。數(shù)值模擬中各煤巖層力學(xué)參數(shù)如表 1。

表1 煤巖層塊的力學(xué)參數(shù)

建立數(shù)值模擬模型,如圖 2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

根據(jù)綜采 (放)工作面回撤通道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的有關(guān)研究成果可知[7-8],回撤通道一般確定在斷裂的基本頂關(guān)鍵塊下比較合適,根據(jù)現(xiàn)場礦壓觀測的結(jié)果得出基本頂?shù)膩韷翰骄酁?15m[6-7]。

根據(jù)基本頂來壓步距和來壓與工作面推進(jìn)位置關(guān)系,運用數(shù)值模擬,分別計算終采線在 3個關(guān)鍵塊下 (即大巷保護(hù)煤柱分別為65m,50m和35m),大巷周邊應(yīng)力分布和大巷的變形破壞情況。

4 大巷保護(hù)煤柱寬度的分析

4.1 不同煤柱尺寸大巷周邊的應(yīng)力場分布

圖 3 不同煤柱寬度大巷周圍應(yīng)力場分布

從圖 3可以看出,當(dāng)煤柱為 65m時,工作面前方的超前支承壓力影響范圍為 27m,最大值為12MPa;當(dāng)煤柱為 50m時,支承壓力的影響范圍為25m,最大值為 12MPa;當(dāng)煤柱為 65m和 50m時,工作面煤炭采出,形成的超前支承壓力沒有明顯影響到大巷,大巷周邊的應(yīng)力水平?jīng)]有明顯的增加。煤柱為35m時,采煤工作面前方的超前支承壓力已經(jīng)影響到大巷,影響范圍為 35m,支承壓力最大值為 10MPa,影響范圍變大,但是峰值降低,是煤柱不穩(wěn)定的前兆,輔運大巷工作面?zhèn)鹊淖畲髩毫?MPa。

4.2 塑性破壞場分布

不同煤柱寬度時的煤柱和大巷塑性區(qū)分布如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度時煤柱與大巷周邊巖體的塑性破壞場分布

從圖 4可以看出,煤柱為 65m時,塑性破壞超前工作面 17m,煤柱為 50m時,塑性破壞超前工作面 18m;煤柱 65m和 50m時,大巷周邊塑性破壞沒有明顯變化。煤柱為 35m時,塑性破壞超前工作面 30m,塑性破壞的寬度明顯增加,且大巷周邊塑性破壞明顯增加。

4.3 大巷的圍巖變形情況

不同煤柱寬度時,輔運大巷的頂板下沉量和幫鼓情況如圖 5和圖 6所示。

從圖 5和圖 6中可以看出,煤柱為 65m時,大巷的頂板下沉量為 8mm、幫鼓量為 3mm;煤柱為50m時,大巷的頂板下沉量為5mm、幫鼓量為3.5mm;煤柱為 35m時,頂板下沉量為 78mm、幫鼓量為40mm。

圖5 輔運大巷的頂板下沉量

圖6 輔運大巷的幫鼓量

5 結(jié)論

從對 3個不同寬度煤柱的計算,可以看出,煤柱在65m和50m時,輔運大巷的破壞變形情況都相差不大,在煤柱為 35m時,回撤通道的塑性破壞嚴(yán)重,煤柱大部分出現(xiàn)塑性破壞,大巷的變形破壞嚴(yán)重。所以,煤柱留設(shè) 50m是合理的,35m時大巷不穩(wěn)定,65m時則造成煤炭資源的浪費。

[1]徐永圻 .煤礦開采學(xué) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1999.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[3]陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[4]韓炎斌,劉雅俊,王志文,等 .簡化保安煤柱的留設(shè)方法[J].煤,1998(3).

[5]王 曉,姬王鵬,李西蒙,等 .特厚煤層綜放工作面回撤通道位置的研究確定 [J].煤炭技術(shù),2010(8).

[6]吳吉南,馮學(xué)武,劉保寬 .重型綜放工作面無預(yù)回撤通道快速撤出技術(shù) [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(5).

[7]平朔煤炭工業(yè)公司安家?guī)X二號井工礦 .重型綜放工作面煤機自掘通道快速撤除技術(shù)研究 [R].朔州:平朔煤炭工業(yè)公司,2007.

[8]劉加旺,姚有利 .綜采工作面回撤通道及其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究 [J].煤炭工程,2009(9).

[責(zé)任編輯: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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (2007CB209400),國家自然科學(xué)基金項目 (50774079)

姬王鵬 (1986–),男,山西晉城人,研究生,從事礦山巖體力學(xué)與放頂煤開采方面的研究。