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    大埋深礦井區(qū)間煤柱合理寬度研究

    2021-01-10 03:16:46寇成寶
    山西化工 2020年6期
    關(guān)鍵詞:內(nèi)應(yīng)力見式煤柱

    寇成寶

    (晉能控股集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司,山西 忻州 034000)

    1 工程背景

    井下開采煤炭資源時(shí),相當(dāng)一部分資源損失在區(qū)段煤柱留設(shè)時(shí),煤柱尺寸在部分礦井甚至達(dá)到100 m以上,造成了很多不必要的資源浪費(fèi)[1]。高浩等認(rèn)為采掘工程使地下空間原巖應(yīng)力變化,通過經(jīng)驗(yàn)公式求得合理留設(shè)煤柱寬度與煤柱內(nèi)應(yīng)力變化區(qū)域,再使用數(shù)值模擬手段論證煤柱留設(shè)合理性[2]。余學(xué)義通過對(duì)區(qū)段煤柱進(jìn)行的應(yīng)力監(jiān)測(cè),總結(jié)煤柱內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律,通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化[3]。

    現(xiàn)北辛窯礦嘗試小煤柱留設(shè),由原來的85 m煤柱研究一個(gè)較為合理的煤柱尺寸。北辛窯礦平均埋深487 m,核定產(chǎn)能4.0 Mt/a,坐落于山西忻州市寧武縣,低瓦斯礦井,現(xiàn)主采5#煤層,5#煤區(qū)段煤柱85 m,即將開采的8104工作面與尚未掘巷的8105回風(fēng)順槽現(xiàn)進(jìn)行煤柱縮小工作,井田位置見圖1。

    圖1 礦井位置圖

    取8104工作面煤層及頂?shù)装逯迫r樣并進(jìn)行力學(xué)測(cè)試,結(jié)果如表1所示。

    表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

    2 理論寬度求解

    巷道采掘后,原巖應(yīng)力發(fā)生改變,區(qū)段煤柱應(yīng)力分布發(fā)生變化,會(huì)在煤柱內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)彈性核,彈性核區(qū)間內(nèi)應(yīng)力降低,煤體內(nèi)應(yīng)力分布如圖2所示[4]。

    圖2 煤體內(nèi)應(yīng)力分布

    如圖2所示,G(ε)[L(ε)]表示巷道開挖對(duì)左(右)側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力的影響,其中,g1(ε)[l1(ε)]為對(duì)塑性區(qū)應(yīng)力的影響,g2(ε)[l2(ε)]為對(duì)彈性區(qū)應(yīng)力的影響。

    巷道開挖后煤體內(nèi)應(yīng)力分布同工作面回采后煤體內(nèi)應(yīng)力分布相類似,其中左側(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力分布見式(1)。

    (1)

    式中,k2為煤柱應(yīng)力增高系數(shù);γ2為煤柱應(yīng)力側(cè)壓系數(shù);xg為調(diào)節(jié)參數(shù);x2為塑性區(qū)范圍,m。t=(-ε+xg+B/2-x2)/xg。x2塑性區(qū)范圍如第101頁(yè)式(2)所示。

    (2)

    煤柱應(yīng)力分布見式(3),區(qū)段煤柱應(yīng)力分布示意圖見圖3。

    (3)

    其中,o=(xg+ε-B/2-W-x2)/xg。

    煤柱保持穩(wěn)定且可以有效隔絕瓦斯需滿足以下條件:彈性核大于煤高度2倍且彈性核區(qū)間存在[4-5]。

    因此,4102工作面回風(fēng)側(cè)合理煤柱寬度見式(4)。

    B>X0+2M+x1

    (4)

    式中,x0為煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度,計(jì)算見式(5)。

    (5)

    x1為煤柱右側(cè)塑性區(qū)寬度,計(jì)算見式(6)。

    (6)

    由于煤柱寬度不同,相應(yīng)的煤柱塑性區(qū)內(nèi)寬度也不同,代入?yún)?shù)求解式(4)~式(6),得x0=12.79,x1=13.31,2m=7.86;則B=32.96。同時(shí),考慮4105回風(fēng)順槽保留一定的安全系數(shù)1.1,則煤柱寬度應(yīng)大于34.65 m。故煤柱寬度為35 m。

    圖3 區(qū)段煤柱應(yīng)力分布示意圖

    3 數(shù)值模擬

    3.1 數(shù)值模型建立

    FLAC軟件基于有限元計(jì)算,模擬真實(shí)地質(zhì)賦存與圍巖狀況,根據(jù)高河煤礦實(shí)際工礦,建立數(shù)值模型[4-6]。模型包括3#及上、下不同巖性巖層共11層,根據(jù)不同煤柱尺寸建立模型,計(jì)算當(dāng)煤柱尺寸為20、30、35、40 m時(shí)工作面開采后,不同煤柱尺寸的位移、水平應(yīng)力與垂直位移,從而依據(jù)不同的圍巖狀況,選取最合適的煤柱尺寸。

    模型考慮計(jì)數(shù)便宜性與準(zhǔn)確性,采用均勻?qū)挾戎迫【W(wǎng)格在水平方向,但在垂直方向,考慮計(jì)算快速性,煤柱附近劃分較密集,其余地方相對(duì)稀疏。固定模型8104模型兩側(cè)邊界與前后邊界,頂部施加13.2 MPa的上覆載荷。

    表2為模型巖層的分類和力學(xué)參數(shù),圖4為構(gòu)建的模型。

    表2 巖石力學(xué)參數(shù)表

    圖4 模型三維示意圖

    根據(jù)留巷側(cè)留設(shè)大煤柱實(shí)際情況建立三維數(shù)值模型,模擬8104工作面回采完成后,在不同的煤柱寬度下8105工作面回采時(shí)煤柱的應(yīng)力、巷道圍巖變形情況和塑性區(qū)演化過程。模擬留設(shè)煤柱寬度分別為25、30、35、40 m時(shí),從而確定合理的煤柱寬度。

    3.2 數(shù)值模擬分析

    由圖5~圖8可知,左右兩側(cè)塑性區(qū)貫通,煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增長(zhǎng),且煤柱基本上全部處于塑性區(qū)。就是煤柱塑性區(qū)貫通期間,煤柱內(nèi)應(yīng)力相對(duì)于開采初期有小幅度的突增,變化幅度6MPa左右,這主要由于超前支承壓力的影響,再加之煤柱彈性區(qū)過小,應(yīng)力遠(yuǎn)超煤柱的承載極限。

    相對(duì)于25 m煤柱應(yīng)力峰值有所減小,并且應(yīng)力峰值同樣滯后工作面35 m左右,30 m寬煤柱塑性區(qū)應(yīng)力分布情況與25 m寬煤柱相似,但30 m寬煤柱比25 m寬煤柱承載能力強(qiáng),30 m寬煤柱是工作面推至140 m時(shí)塑性區(qū)才貫通,而25 m寬煤柱在工作面推至100 m時(shí)塑性區(qū)就已經(jīng)貫通。從應(yīng)力角度看,當(dāng)工作面推進(jìn)相同距離時(shí),30 m煤柱應(yīng)力峰值顯然要比25 m寬煤柱小得多,說明其承載能力有所增加。

    35 m煤柱塑性區(qū)較前二者更小,在工作面推進(jìn)過程中,煤柱右側(cè)塑性區(qū)不斷發(fā)育,但是并沒有貫穿整個(gè)煤柱,煤柱中間部分仍保持完好狀態(tài)。在應(yīng)力方面,煤柱應(yīng)力峰值不斷增大,并由偏左側(cè)向煤柱中間內(nèi)移,但應(yīng)力峰值沒有重合,煤柱中間還有一部分應(yīng)力較小的彈性區(qū)。

    煤柱寬度增大至40 m時(shí),煤柱塑性區(qū)范圍也沒有明顯的增大,應(yīng)力分布也比較均衡,應(yīng)力峰值為38 MPa左右,但煤柱寬度較大,煤柱絕大部分在其極限載荷下工作,即彈性區(qū)很大,煤柱十分穩(wěn)定,會(huì)造成資源浪費(fèi)。

    圍巖內(nèi)最小垂直應(yīng)力為23.8 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.28,此時(shí)煤柱寬度為45 m,但是當(dāng)煤柱寬度大于35 m后煤柱應(yīng)力變化不大,基本保持不變;圍巖內(nèi)最大垂直應(yīng)力為41.1 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為2.21,此時(shí)煤柱寬度為20 m。

    圖5 25 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

    圖6 30 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

    圖7 35 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

    圖8 40 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

    4 結(jié)論

    1) 理論計(jì)算求得煤柱應(yīng)選取35 m左右。

    2) 煤柱寬度20 m到35 m,巷道煤柱幫變形量由190 mm減小到132 mm,下降了30.5%,巷道實(shí)體煤幫變形量由322 mm減少到184 mm,下降了42.9%,巷道頂板下沉量由836 mm減少到356 mm,下降了57.4%,巷道煤柱幫變形量由261 mm減少到77 mm,下降了70.5%,因此,選擇煤柱寬度為35 m。

    3) 綜合理論計(jì)算與數(shù)值模擬,并基于資源合理利用的出發(fā)點(diǎn),求得煤柱35 m較為合理。

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