大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設研究_孔德中 (1)
第35卷增刊2
2014年10月
文章編號:1000-7598(2014)增2-0460-07巖土力學RockandSoilMechanicsVol.35Supp.2Oct.2014
大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設研究
孔德中,王兆會,李小萌,王顏亮,王
(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京100083)闖
摘要:側(cè)向支承壓力分布、資源回收率以及煤柱和巷道的穩(wěn)定性是大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度留設要兼顧的因素,為了確定大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度,以某礦8103面為工程背景,首先,采用理論計算和現(xiàn)場應力監(jiān)測等方法確定大采高綜放工作面傾向支承壓力分布規(guī)律,得出應力降低區(qū)寬度約為8m,原巖應力區(qū)為巷幫側(cè)28m外。其次,采用工程類比方法確定大采高綜放工作面巷幫外側(cè)煤體嚴重破裂區(qū)寬度約為4m。最后,采用FLAC3D數(shù)值軟件分析了下區(qū)段工作面回采時窄煤柱(6、8m)和寬煤柱(28、30m)的應力場、位移場及塑性區(qū)特征,獲得不同煤柱寬度時巷道和煤柱力學特征。研究表明:當煤柱寬度6m和8m時,在采動支承壓力下煤柱幾乎無承載能力,且巷道變形量較大;當煤柱寬度28m和30m時,在采動支承壓力下煤柱中央仍有一定的彈性核,煤柱保持穩(wěn)定且巷道變形量較小。綜合考慮資源回收、巷道穩(wěn)定性、次生災害控制等因素,確定大采高綜放工作面區(qū)段煤柱寬度為28m。
關鍵詞:大采高綜放;傾向支承壓力;區(qū)段煤柱;數(shù)值模擬
文獻標識碼:A中圖分類號:TD45
Studyofreasonablewidthoffull-mechanizedtop-coalcaving
withlargeminingheight
KONGDe-zhong,WANGZhao-hui,LIXiao-meng,WANGYan-liang,WANGChuan
(FacultyofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)
Abstract:Thesideabutmentpressuredistribution,theresourcesrecovery,thestabilityofcoalpillarandtheminingroadwayareconsideredindeterminingreasonablewidthoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheight.Inordertodeterminethereasonablewidth,takingthe8103mineastheengineeringbackground,firstly,thesideabutmentpressuredistributionoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisstudiedbyusingstressmonitoringandtheoreticalcalculation;and8minwidthoflowstresszone,morethan28minwidthoforiginalrockstresszonearedetermined.Secondly,thewidthoffracturedzoneinsidecoalmassoffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisdeterminedbyusingengineeringanalogyandnumericalsimulation,andabout4minwidthoffracturedzoneisdetermined.Finally,thestress,thedeformationandfractureanddisplacementofthegatewayexcavatingandthecoalpillarsunderdifferentwidthsofcoalpillarsaresimulatedbyFLAC3D.Thestudyresultsshowthatthecoalpillaralmosthavenobearingcapacityandtheroadwayhaslargedeformationandfailureundertheinfluenceofminingabutmentpressurewhenthewidthofsegmentpillaris6mor8m;thecoalpillarhasthestrongerbearingcapacityandtheroadwayhassmalldeformationandfailureundertheinfluenceofminingabutmentpressurewhenthewidthofsegmentpillaris28mor30m.Allinall,variouselementssuchasresourcesrecovery,roadwaysupportcontrol,andsecondarydisastercontrolareconsideredcomprehensively;andthereasonablewidthofsegmentpillaroffull-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheightisdeterminedas28m.
Keywords:full-mechanizedtop-coalcavingwithlargeminingheight;thesideabutmentpressure;segmentpillar;numericalsimulation
1引言高綜放技術開采的優(yōu)越性得到普遍認可,越來越多
的特厚煤層(15~20m)礦井采用大采高綜放開采技術。由于綜放開采本身存在資源浪費大的缺點,近年來,隨著綜合機械化水平的提高以及大采
收稿日期:2013-07-22
基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(No.2013CB227903);國家自然科學基金(No.51004109);煤炭資源與安全開采國家重點實驗室開放課題(No.SKLCRSM11KFB05);中央高;究蒲袠I(yè)務費專項資金(No.2010QZ02)。
第一作者簡介:孔德中,男,1988年生,博士研究生,主要從事巖石開挖與支護方面研究工作。E-mail:1361316170@qq.com
增刊2孔德中等:大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設研究461
就為大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設提出更高要求。區(qū)段煤柱的作用一方面是隔離采空區(qū),另一方面是保證下區(qū)段巷道的穩(wěn)定性。煤柱的合理寬度不僅關系到回采巷道的支護效果,而且影響煤礦的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益。煤柱過窄,雖然能減少煤炭損失,但煤柱容易失穩(wěn),不僅給巷道維護造成困難而且容易造成采空區(qū)漏風;煤柱過寬,不僅導致煤炭資源的浪費,而且難以保證巷道處在支承壓力卸壓帶范圍內(nèi)。因此,一般將避開傾向支承壓力峰值范圍作為確定區(qū)段煤柱寬度的主要依據(jù)。合理確定煤柱寬度,兼顧資源回收率、巷道穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益一直是眾多學者研究的重點。謝廣祥等對綜放面沿空巷道小煤柱合理寬度進行了研究[1-6],研究結果表明在較薄厚煤層綜放開采過程中,沿空巷道窄小煤柱能夠保證巷道的穩(wěn)定性。劉金海等采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、相似模擬、理論計算對綜放面不同煤柱寬度進行了研究,結果表明大煤柱能夠保持巷道的穩(wěn)定性[7-9]。劉增輝等[10]對綜放面不同煤柱寬度進行了研究,表明護巷煤柱的合理寬度應小于巷幫實體煤內(nèi)應力向煤柱內(nèi)轉(zhuǎn)移的臨界寬度。綜上可知,大采高綜放面區(qū)段煤柱合理留設應同時兼顧到巷道穩(wěn)定性、煤柱的完整度和資源回收率。本文以某礦8103面為工程背景,在現(xiàn)場實測與理論計算的基礎上,運用FlAC3D對不同區(qū)段煤柱寬度進行研究,以期為類似條件的參數(shù)確定提供理論和數(shù)據(jù)支持。
次生災害(瓦斯溢出、殘煤自燃等),其中資源回收率與煤柱寬度有關,巷道的穩(wěn)定性與所處的應力環(huán)境有關,次生災害的控制與煤柱的完整性有關;诖耍疚氖紫妊芯看蟛筛呔C放工作面傾向支承壓力分布特征,確定應力降低區(qū)、應力增高區(qū)及原巖應力區(qū)范圍。然后,對采動影響下“窄煤柱”(巷道處在應力降低區(qū))、“寬煤柱”(巷道處在原巖應力區(qū))巷道穩(wěn)定性及煤柱完整性進行分析。最后,根據(jù)以上3個“有利于”原則確定大采高綜放工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。
3綜放面傾向支承壓力分布規(guī)律
煤層開采過程破壞了原巖應力場的平衡狀態(tài),引起回采空間周圍應力重新分布。上區(qū)段工作面回采后,采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉(zhuǎn)移,隨著工作面推進,采空區(qū)上覆巖層垮落,老頂周期性破斷,在工作面端頭破斷形成起著關鍵作用的弧形三角塊結構,采空區(qū)上部巖層將形成新的平衡支承點,從而在工作面傾斜方向形成傾向支承應力。8103工作面回采過后,在沿煤層傾斜方向上形成的傾向支承應力對8104回風平巷的布置有重要影響,即對區(qū)段煤柱留設起著決定性的作用。因此,上區(qū)段工作面回采形成的傾向支承應力是決定區(qū)段煤柱寬度的大應力環(huán)境。3.1傾向支承壓力分布的理論計算
根據(jù)極限平衡理論,建立如圖1力學模型[11]。
y
2工作面概況及研究思路
2.1
工作面概況
某礦8103大采高綜放面工作面標高為-400~-440m,工作面走向推進長度為1700m,工作面8.5~20m,平均煤厚15m。割煤高度為5m,放煤高度為10m,采放比1:2。工作面煤層含2~3層夾矸,夾矸的巖性為黑高嶺質(zhì)泥巖、褐色高嶺巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖,該面煤層穩(wěn)定,結構復雜。根據(jù)鉆孔揭露的情況:直接底為泥巖,厚約2.38~6.42m;基本底為中粗砂巖,厚約23.6m;直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖,厚約2.46~6.28m;老頂自上而下為2號煤層、巖漿巖、硅化煤、粉砂巖、細砂巖、高嶺質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖等,厚12.4~28.3m。2.2研究思路
某礦8103面無沖擊危險性,大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度合理留設主要考慮3個原則,即有利于提高資源回收率、有利于保證巷道穩(wěn)定和有利于控制
Fig.1
Fx
?y0
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?x
m/2
150m。煤層傾角0°~3°,為近水平煤層,煤層厚
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圖1傾向支承壓力分布的力學模型
Mechanicalmodelofsideabutmentpressure
由圖1可列平衡微分方程:
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(1)
462巖土力學2014年
求解可得
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壓力整體呈現(xiàn)先增大后減小最終趨于穩(wěn)定的趨勢。
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距離巷幫側(cè)應力降低區(qū)為巷幫側(cè)0~7m內(nèi),應力集中系數(shù)由0.26~0.50上升到0.98~1.02;在距離
(2)
巷幫側(cè)7~15m內(nèi),應力集中系數(shù)由0.98~1.02上升到1.62~1.71;距離巷幫側(cè)15~28m內(nèi),應力集中系數(shù)由1.62~1.71下降到1.04~1.01;距離巷幫側(cè)28m外,應力集中系數(shù)維持在1.00左右。
綜合理論計算與現(xiàn)場實測可知,8103面傾向支承壓力的應力降低區(qū)為巷幫側(cè)6~8m,應力增高區(qū)為8~28m,原巖應力區(qū)為巷幫側(cè)28m外的范圍。
式中:fx、fy分別為極限平衡區(qū)內(nèi)煤體在x、y方向的體積力,fx=0,fy=Mx?;?為側(cè)壓系數(shù);?為煤巖體重度;?為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍哪Σ两牵?/p>
c為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍酿ぞ哿Γ?y為垂直應力;M為煤層開采厚度;?x為單元體所受水平應力;Fx為支架對煤幫的橫向作用力;x0為極限平衡區(qū)寬度。
將M=15m,?=0.3,?=25°,c=1.6MPa,?=,得到x0=25kN/m3,F(xiàn)x=0.25MPa代入式(2)
4綜放面傾向煤體較完整區(qū)的確定
從提高煤炭采出率和煤礦開采效益的角度出發(fā),區(qū)段煤柱寬度應盡可能小,但如果煤柱過窄,下區(qū)段工作面采動時,煤柱在支承壓力疊加影響下易于變形破裂,從而使巷道中錨桿錨固在較破碎煤體中錨桿的作用難以充分發(fā)揮,巷道穩(wěn)定性難以保證。此外,煤柱的破裂變形導致上區(qū)段采空區(qū)瓦斯溢出、殘煤自燃等次生災害的發(fā)生,因此傾向煤體較完整區(qū)的確定是合理煤柱留設的重要依據(jù)。