斜溝特厚煤層無煤柱綜放開采技術(shù)相似模擬研究

李建文

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.山西西山煤電鎮(zhèn)城底礦，太原030203）

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斜溝特厚煤層無煤柱綜放開采技術(shù)相似模擬研究

李建文1，2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.山西西山煤電鎮(zhèn)城底礦，太原030203）

摘要:為了對斜溝特厚煤層更好地進(jìn)行開采，參考13號煤層實(shí)際地質(zhì)條件及巷道布置方案，進(jìn)行了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)。研究的初始原型是與斜溝煤礦13號煤層相似的模擬初采工作面。利用模擬實(shí)驗(yàn)研究“錯層位巷道布置無煤柱全高開采”采煤法的巷道布置、礦壓顯現(xiàn)以及巷道和圍巖移動破壞的一般規(guī)律，進(jìn)而論證斜溝煤礦應(yīng)用此種采煤方法實(shí)現(xiàn)無煤柱回采的可行性以及采用此種方法的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；模擬實(shí)驗(yàn)；綜放開采；無煤柱回采

未來20年世界能源與中國能源需求都將持續(xù)增長，從能源安全與經(jīng)濟(jì)合理的角度看，國內(nèi)能源缺口還主要依靠煤炭來解決，而且對煤炭的需求越來越大，所以應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高煤炭資源采出率和利用效率，高效利用與潔凈利用同時兼顧，使有限的不可再生資源得到最充分的利用，以保證國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展。

斜溝煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)15 Mt，其中只有8號和13號煤層屬于全區(qū)可采，現(xiàn)生產(chǎn)8號煤層，屬于一期工程，年產(chǎn)在8 Mt，因此為了在二期工程達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，現(xiàn)準(zhǔn)備回采13號煤層。

采煤方法的合適與否是礦井成為高產(chǎn)高效礦井的前提。煤層厚度、煤層硬度、煤層傾角、煤層結(jié)構(gòu)、頂板條件、地質(zhì)構(gòu)造、自燃發(fā)火、瓦斯及水文地質(zhì)條件等都是影響采煤方法的因素。

由于各種實(shí)際因素的限制，在理論研究中，人們往往將復(fù)雜的問題抽象成簡單的問題來進(jìn)行分析。在采礦學(xué)科中應(yīng)用較為廣泛的是相似材料模擬，它的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)相似原理，在一定的研究范圍內(nèi)，以一定的比例縮小，用相似材料制成模型，然后對模型中的煤層模擬實(shí)際情況進(jìn)行“開采”，觀測模型上的巖層由于“開采”所引起的移動、變動和破壞情況，分析、推斷實(shí)際煤層的上覆巖層的情況。

相似模擬實(shí)驗(yàn)所遵循的原理非常復(fù)雜，而且非常嚴(yán)格，作為研究采礦工程的手段，其所遵循的原理因研究目的不同而不同。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯坎蓤龉ぷ髅嫔细矌r層的運(yùn)移規(guī)律以及煤壁前方支承壓力的變化規(guī)律，因此，只要滿足相似原理就能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1　礦井概況

本次實(shí)驗(yàn)的初始原型是與斜溝煤礦13號煤層相似的模擬初采工作面。研究巷道布置、礦壓顯現(xiàn)以及巷道和圍巖移動破壞的一般規(guī)律，進(jìn)而論證斜溝煤礦應(yīng)用“錯層位巷道布置無煤柱全高開采”采煤法給采煤帶來的便利及效率上的一些優(yōu)點(diǎn)。所以，我們根據(jù)13號煤層的基本條件，并做了一些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使在實(shí)驗(yàn)中得到的一些結(jié)果將來會為13號煤層的開采提供一些可行的建議。

2　研究內(nèi)容

2.1實(shí)驗(yàn)原型的模型制作

由于缺少13號煤和8號煤層空間上的關(guān)系，并且距離較遠(yuǎn)，因此在設(shè)定模型時，將8號煤層與老頂化為一層，對原型進(jìn)行調(diào)整如下：

由于13號煤上方有20 m厚的巖層隨采所冒，雖然是混合巖層，在此設(shè)定為泥巖；在上方至8號煤層剩余32 m設(shè)定為砂質(zhì)泥巖；8號煤層及其老頂我們設(shè)定為砂巖，其余距地表的厚度由于煤層傾角的存在以及對13號回采的礦壓影響不大，因此我們可按一般巖層向上累加即可。

本實(shí)驗(yàn)采用二維實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)臺尺寸為4 200 mm×250 mm，其中模型和原型的長度比為L=160∶1，模型和原型的容重比值為1.5，試驗(yàn)采用平面應(yīng)變條件，各巖層在相似模型中的厚度為[1]：

LM1=LH1/αL=20 000 mm/160=125 mm；

LM2=LH2/αL=32 000 mm/160=200 mm；

LM3=LH3/αL=20 000 mm/160=125 mm；

LM4=LH4/αL=13 880 mm/160=86.8 mm.

式中：LM1、LH1分別為泥巖的模型和實(shí)體厚度；LM2、LH2分別為砂質(zhì)泥巖的模型和實(shí)體厚度；LM3、LH3分別為砂巖的模型和實(shí)體厚度；LM4、LH4分別為13號煤層的模型和實(shí)體厚度。

2.2模擬巖石的力學(xué)性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)主要是研究煤體所受到的應(yīng)力，及在應(yīng)力條件下所產(chǎn)生的應(yīng)變，以及一些變化規(guī)律。根據(jù)在研究現(xiàn)場測得的地質(zhì)資料以及煤巖層的分布，詳細(xì)地整理了13號煤層頂、底板各巖層物理力學(xué)性質(zhì)的實(shí)測數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)

2.3模型巖石的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

逐層計(jì)算模型巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，由αL=160，αγ=1.5得ασ=αL×αγ=160×1.5=240。

由主導(dǎo)相似準(zhǔn)則可推導(dǎo)出原型與模型之間強(qiáng)度參數(shù)的轉(zhuǎn)化關(guān)系式[2]，即：

式中：σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa.

根據(jù)上面的資料，可以求出煤層還有不同頂板巖層模型的單軸抗壓強(qiáng)度σc及容重γM。

2.4相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建

因?yàn)樵谖覀兊拈_采過程當(dāng)中，我們會發(fā)現(xiàn)底板的厚薄程度以及它的強(qiáng)度，對整個實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響幾乎不大，所以我們對實(shí)驗(yàn)的模型可以進(jìn)行一定的簡化，使實(shí)驗(yàn)更便于進(jìn)行，即我們只鋪設(shè)厚度為50 mm的老底。由于存在10°的煤層傾角，在50 mm厚的老底下面還有一個長為4 200 mm、高為4 200× tg10°=741 mm的三角形老底。在鋪設(shè)過程中，我們要嚴(yán)格的遵循巖層的實(shí)際長度進(jìn)行。每一層所鋪的厚度都不能超過3 cm，并且為了使得更加均勻和穩(wěn)定，我們在層與層之間加了云母粉，使得層與層更加分明。

斜溝煤礦13號煤層平均埋深330 m。我們將模擬方案制定為1：160，我們通過計(jì)算將模擬的頂板巖石的厚度確定為86 m，其余的高度將用來提供我們所需的壓力。我們假定巖層的上邊容重為2 500 kg/m3，所以模型的容重可以確定為1 667 kg/m3，壓強(qiáng)為：

σ=γh=244×2 500=6.1×105kg/m2=6.1 MPa.

根據(jù)模型的尺寸，以及預(yù)定比例，實(shí)際加載壓力為：F=σ·s/ασ=6.1×105×0.25×4.2/240=2 668.8 kg模擬加載采用千斤頂，每臺千斤頂載荷為15kN。測點(diǎn)和工作面布置如圖1和圖2所示：

圖1　測點(diǎn)布置示意圖

圖2　工作面布置示意圖

3　相似模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

相似模擬實(shí)驗(yàn)完成之后，我們將會收集到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過整理分析將會得到支撐壓力的變化規(guī)律。

采煤機(jī)自左側(cè)24 m處推進(jìn)了52 m（即采煤機(jī)的位置在圖中坐標(biāo)為76 m處）時工作面的壓力分布圖見圖3。模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)風(fēng)巷的位置我們可以將其對應(yīng)于圖中的24 m處，而其回風(fēng)巷道位于圖3中坐標(biāo)為168 m處，工作面長度為144 m，如圖所示，有一部分壓力值為負(fù)值，其原因是頂板垮落之后由于拉力造成的。由圖可以看出，在采煤機(jī)的前邊，可以看到壓力明顯地增大了，工作面的推進(jìn)，不斷遷移，最終形成了壓力降低的區(qū)域，這些現(xiàn)象與工作面沿煤層走向推進(jìn)相一致，可見沿走向推進(jìn)和沿傾向推進(jìn)可以取得同樣的實(shí)驗(yàn)效果。由于在中部進(jìn)行回采，在回風(fēng)巷道的附近產(chǎn)生了降低區(qū)域。因此在回風(fēng)平巷附近（圖中坐標(biāo)為168 m處）形成了應(yīng)力降低區(qū)，有利于更好地進(jìn)行巷道維護(hù)，同時支承壓力峰值移向工作面中部，有利于工作面頂煤的壓碎。圖中顯示的與生產(chǎn)實(shí)踐中礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律是一致的，在上一工作面推過后（圖中168 m附近），冒落頂板重新壓實(shí)，壓力有所恢復(fù)[3]。而在進(jìn)風(fēng)巷（圖中坐標(biāo)為24 m處）應(yīng)力值有所升高，但進(jìn)風(fēng)巷沿煤層頂板布置，因此維護(hù)也比較容易。

圖3　采煤機(jī)推進(jìn)到52 m處工作面支承壓力分布圖

圖4　采煤機(jī)推進(jìn)到68 m處工作面支承壓力的分布圖

由圖4可以看出隨著采煤的推進(jìn)，頂板再次發(fā)生折斷，支承壓力的最大值就會隨著向前移動，這時工作面所處的狀況就是大規(guī)模來壓，曲線如圖所示。相當(dāng)于沿走向推進(jìn)的周期來壓變化，來壓步距為兩次來壓的距離之差，約為16 m?；仫L(fēng)巷附近仍然處于應(yīng)力降低區(qū)，本次壓力數(shù)據(jù)采集是在頂板再次垮落之前的壓力分布狀況，也就是周期來壓時的壓力分布情況。

采煤機(jī)推進(jìn)到115 m處的工作面壓力分布圖見圖5，頂板垮落，但是在采煤機(jī)前進(jìn)之后，又被夯實(shí)，這時夯實(shí)的部分所受的壓力又得以恢復(fù)，壓力的最大值會隨著進(jìn)一步前移，與前一工作面壓力的最大值進(jìn)行了疊加，形成了更大的壓力值。采用常規(guī)的巷道，與現(xiàn)在的情況大體一致。區(qū)段煤柱受到巨大的集中應(yīng)力作用，很容易被壓酥，因此會產(chǎn)生裂紋，在裂紋中，還會覺察到漏風(fēng)的情況，并且巷道在此情況之下的變形情況會非常嚴(yán)重，而且與之相鄰的回采巷道的變形十分嚴(yán)重，這種現(xiàn)象跟我們在現(xiàn)場所觀測到的情況是相同的，而采用這種巷道布置的方式，回風(fēng)巷道一直處于應(yīng)力降低區(qū)（圖中168 m處），有利于進(jìn)行巷道的維護(hù)，體現(xiàn)了這種巷道布置方式的好處[4-5]。

圖5　采煤機(jī)推進(jìn)到115 m處工作面支承壓力分布圖

4　研究結(jié)果

頂煤垂直方向位移累計(jì)為3.85 m，水平位移累計(jì)為1.88 m。頂煤垂直位移量大于水平位移量，在工作面后方4 m～6 m處，頂煤垂直位移量最大，而水平位移量達(dá)到最大是在工作面后上方部分，可見，頂煤在工作面上方以水平位移為主，這也相當(dāng)于工作面沿煤層走向推進(jìn)時的工作面前方及支架上方位置。

直接頂?shù)拇怪蔽灰坪退轿灰婆c頂煤較為相似，但位移最大值要推遲一些，因?yàn)轫斆罕徊沙龊?，留給直接頂?shù)淖杂梢苿涌臻g增大，在老頂壓力的作用下，直接頂隨之垮落。直接頂垂直方向累計(jì)位移為3.7 m，水平方向累計(jì)位移為1.2 m，隨后垮落為破碎狀態(tài)。

5　結(jié)論

由模擬結(jié)果可以看出，錯層位巷道布置系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，不僅大大減少了區(qū)段煤柱的煤炭損失，提高了煤炭回收率，而且使回采巷道位于比較容易維護(hù)的位置，而且有效地利用了區(qū)段之間的集中應(yīng)力，變危害因素為有利因素，增強(qiáng)了頂煤的壓碎效果，提高了頂煤的放出率。同時也應(yīng)該注意由于煤層傾角的變化，各巖層自重應(yīng)力沿傾斜方向的分量造成可能在工作面變坡段形成一個范圍不大的應(yīng)力集中區(qū)。綜合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，基本再現(xiàn)了工作面應(yīng)力分布狀態(tài)，對生產(chǎn)實(shí)際起指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王庚，邵強(qiáng)，馮偉.煤礦開采方案的計(jì)算機(jī)模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2013（2）:65- 67.

[2]王輝.大埋深采煤工作面礦壓特征的數(shù)值模擬[J].煤炭技術(shù)，2010（6）:73- 75.

[3]王明旭，許夢國，王平，等.無底柱分段崩落法的巷道支護(hù)相似模擬實(shí)驗(yàn)[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2013（6）:46- 49.

[4]蔣金泉，武泉森，張培鵬，等.上覆巨厚堅(jiān)硬巖漿巖破斷運(yùn)移規(guī)律的實(shí)驗(yàn)分析[J].煤礦開采，2015（1）:8- 11.

[5]楊本生，王華斌，賈永豐，等.采場上覆巖層裂隙發(fā)育模擬及實(shí)證研究[J].煤炭工程，2015（7）:82- 85.

（編輯：楊鵬）

Analog Simulation on No-pillar Fully-mechanized Mining in Extra-thick Coal Seam in Xiegou Mine

LI Jianwen1,2
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Zhenchengdi Mine, Shanxi Xishan Coal & Electricity Group, Taiyuan 030203, China)

Abstract:To improve the mining technology of the extra- thick coal seam in Xiegou mine, based on the geological condition and roadway layout of No.13 coal seam, simulation experiment with similar materials was conducted. The initial prototype is the simulated initial mining face, which is similar to the No.13 coal seam. With the simulation on no- pillar full height cutting with stagger arrangement roadway layout, we could study the roadway layout, strata behavior, and movement and damage rules of roadway and surrounding rock, which further demonstrates the feasibility of the method in no- pillar mining and its advantages.

Keywords:extra- thick coal seam; simulation test; fully- mechanized mining; no- pillar mining

作者簡介：李建文（1982-），男，甘肅平?jīng)鋈?，在讀工程碩士，助理工程師，從事礦井安全技術(shù)工作。

收稿日期：2015- 10- 19

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.013

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0041- 04

中圖分類號：TD315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A