特厚煤层综放面区段煤柱合理尺寸研究

2016-04-25蔡志炯

中国煤炭 2016年3期

关键词：数值模拟

蔡志炯

(大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司,山西省大同市,037000)

特厚煤层综放面区段煤柱合理尺寸研究

蔡志炯

(大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司,山西省大同市,037000)

摘要根据金庄矿8203特厚煤层综放面实际,采用理论分析、数值模拟以及现场实测相结合的方法确定了区段煤柱合理宽度。理论研究了煤层厚度、应力集中系数、煤层强度对煤柱宽度的影响,确定区段煤柱宽度应大于23 m。采用FLAC3D模拟了煤柱宽度为16 m、20 m和24 m时,其两侧工作面开采过程中煤柱内塑性区和应力分布及变化规律,模拟结果表明煤柱宽度为16 m、20 m时,在两侧工作面回采的过程中,塑性区将会贯通煤柱;当煤柱宽度增加到24 m时,塑性区没有贯穿整个煤柱,煤柱内部存在8 m宽的弹性区。现场实测表明左侧工作面回采过程中煤柱破坏宽度为5 m左右,右侧工作面回采阶段煤柱破坏宽度为15 m,故首采工作面采用30 m宽的煤柱尺寸偏大,同理本研究也为后续工作面选择合理的区段煤柱尺寸提供了指导。

关键词特厚煤层区段煤柱数值模拟煤柱尺寸

Study on reasonable size of section coal pillar in fully mechanized caving face in extra-thick coal seam

Cai Zhijiong
(Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037000,China)

Abstract According to actual condition of 8203 fully mechanized caving face in extra-thick coal seam in Jinzhuang Mine,the reasonable size of section coal pillar was determined by theoretical analysis,numerical simulation and field measurement.The effects of seam thickness,stress concentration factor and coal strength on pillar width were analyzed by theoretical study,and it confirmed that the width of section coal pillar must be greater than 23 m.The distribution and change rules of plastic zone and stress in coal pillar in the mining process of working faces on both sides of coal pillar were simulated by FLAC 3D when the width of coal pillar was designed as 16 m,20 m or 24 m.The results showed that when the width of coal pillar was 16 m or 20 m,the plastic zone could get throughout the pillar;when the width was 24 m,the plastic zone could not get through the pillar and there was an 8 m wide elastic zone in the pillar.Field measurement indicated that the failure width of the section coal pillar in the mining process of the left-side face and right-side face were respectively 5 m and 15 m,so the 30 m wide coal pillar in first mining face was too large.This research also provided guidance for follow-up working face mining to select reasonable size of section coal pillar.

Key words extra-thick coal seam,section coal pillar,numerical simulation,coal pillar size

长壁工作面开采中,留设区段煤柱维护回采巷道的稳定性一直是最广泛使用的方法.目前一些学者从理论分析、数值模拟、现场实测等方面对沿空掘巷小煤柱尺寸和稳定性进行了大量研究,取得了一些成果.有文章研究表明在煤层厚度不是特别大的条件下,综放面区段小煤柱能保证回采巷道的稳定性;还有文献研究表明在采动支承压力作用下特厚煤层综放面区段窄煤柱稳定性差、巷道变形量大.留设大煤柱(＞15 m)依然是特厚煤层综放面的主要巷道布置方式,但目前针对特厚煤层区段留设大煤柱的相关研究还较少.本文针对金庄矿实际生产条件,开展了特厚煤层综放面区段煤柱合理尺寸的研究.

1　工程概况

金庄矿8203首采工作面为北二盘区内从井底车场顺大巷往东南方向布置的第三个工作面,其西南侧为相邻的8202工作面,是首采面的接替面,8203工作面走向长1450 m,倾斜长220 m,主采石炭系3＃、5＃煤层,煤厚12.20～18.10 m.伪顶为灰黑色泥岩,厚度0.6～6 m,直接顶为灰白色细砂岩,厚度5～12 m,老顶为灰白色含砾粗砂岩、粉砂岩与中粒砂岩互层,厚度15～30 m,根据现场实测,8203首采面的5203回风巷与接替8202工作面的2202运输巷巷间的区段煤柱宽度为30 m,根据现场需要,进一步研究了巷道变形、煤柱应力等方面内容,以论证所留设煤柱宽度的合理性.

2　理论计算分析

由于区段煤柱长度远大于其宽度,因此可以将其视为平面问题,不考虑煤柱前、后两端的边缘效应.王旭春等在A·H·威尔逊煤柱设计理论的基础上通过详细的推导与分析,给出了煤柱所能承受的极限载荷为:

煤柱实际承受的载荷为:

式中:a——煤柱宽度,m;

b——采宽(工作面宽度),m;

H——开采深度,m;

γ——上覆岩层的平均体积力,N/m3;

C——煤体的黏聚力,MPa;

φ——为内摩擦角,(°);

λ——应力集中系数,试验取0.4～0.8;

k——实际煤柱宽度与A·H·威尔逊煤柱宽度之比,取0.225～0.25;

M——平均采厚,取16 m;

L——条带煤柱的长度,m.

保证煤柱不失稳的必要条件为:

由式(1)～(3)可得:

由式(4)可知,煤柱宽度与煤层厚度、k值、内摩擦角以及应力集中系数等有关,结合8203工作面实际成产条件工作面宽度为220 m,上覆岩层的平均体积力为19000 N/m3,开采深度为300 m,煤体的黏聚力为3.07 MPa以及试验测得数据,使用控制变量法得煤柱宽度与M、k、φ、λ之间的关系如图1所示.

由图1可知,综放面区段煤柱宽度与煤层厚度、k值、应力集中系数基本呈线性关系,与内摩擦角呈非线性关系.且煤层厚度对区段煤柱宽度影响较大;内摩擦角反映了煤体强度与煤柱宽度间的关系,随着煤体强度的增加,煤柱宽度逐渐降低,且降低幅度也随之下降.金庄矿8203工作面实际条件中煤层平均厚度M为16 m,k值取0.225,内摩擦角φ取35°,应力集中系数取0.8,得工作面区段煤柱宽度应大于23 m.

图1　煤柱宽度与M、k、φ、λ之间的关系

3　数值模拟研究

3.1数值模型建立

采用FLAC3D软件分析煤柱两侧工作面不同开采阶段煤柱的应力和塑性区演化规律.建立的数值模型尺寸为260 m×200 m×200 m (长×宽× 高),底板边界垂直方向固定,左右和前后边界水平方向固定,采用Mohr-Coulumb本构模型进行计算.

3.2模拟方案

模拟时煤柱宽度分别取16 m、20 m、24 m,分析左侧工作面推进完成后右侧工作面推进80 m、100 m、180 m和200 m时,推进方向前方110 m截面处煤柱的应力及塑性区演化情况,模拟方案如图2所示.

图2　模拟方案示意图

3.3模拟结果分析

3.3.1煤柱宽度为16 m时,煤柱塑性区和应力

(1)随着左侧工作面不断推进,煤柱左侧塑性区不断向内部发展,应力峰值不断增大并向煤柱内部转移.当左侧工作面开采完毕后,煤柱左侧塑性区深度侧向达到7 m,煤柱内应力峰值达到39 MPa,采动应力集中系数为4.3左右.

(2)在右侧工作面推进过程中,煤柱右侧塑性区从底部开始发展,且当右侧工作面推进至80 m 时,煤柱底部左右两侧塑性区首先贯通,煤柱内应力不断增长.当右侧工作面推进至200 m时,应力峰值降至17.8 MPa.

(3)左侧工作面开采过程中,煤柱塑性区只在左侧发展,煤柱内应力集中系数较低,煤柱可以保持较好的稳定性.但在右侧工作面回采期间,在工作面推进到80 m,观测截面110 m处煤柱内塑性区贯通,应力快速下降,表明煤柱已经失去承载能力.即煤柱在工作面前方30 m就已经发生破坏.

3.3.2煤柱宽度为20 m时,煤柱内塑性区和应力

(1)煤柱宽度由16 m增加至20 m,煤柱承载能力增大.但当右侧工作面推进至100 m时,整个煤柱塑性区贯通.在右侧工作面开挖的全过程中仍然发生了完全塑性破坏.

(2)20 m煤柱塑性区贯通时应力峰值比16 m煤柱小,且煤柱破坏后的整体残余强度也要大于16 m煤柱,说明20 m煤柱比16 m煤柱承载能力强.

3.3.3煤柱宽度为24 m时煤柱内塑性区和应力

(1)当煤柱宽度由20 m增加到24 m时,煤柱塑性区发育与应力变化情况与16 m时相比煤柱受力发生了较大变化.在左侧工作面推进完成时,左侧塑性区最大侧向发育深度为5 m,塑性区发育面积相比于20 m宽煤柱要小得多.

(2)在右侧工作面推进过程中,煤柱右侧塑性区不断发育,但是与左侧工作面推进过程中形成的塑性区没有贯穿.当右侧工作面推进至200 m时,煤柱塑性区形状发育大致呈左右两半圆形分布,其塑性区深度两侧各8 m,煤柱内部仍然存在8 m宽的弹性区,即煤柱仍处于稳定状态.

(3)在右侧工作面开采期间,开采形成的煤柱侧向应力峰值不断增大且向内移动,但与左侧工作面开采形成的侧向支承压力峰值没有重合,证明中间还有一部分应力较小的弹性区,最终煤柱应力大致呈马鞍形分布,即煤柱两边虽已出现部分破坏,煤柱中间部分应力升高,但是仍有一部分处于弹性区,煤柱可保持自身的稳定.

3.3.4煤柱宽度为24 m时,工作面巷道受力

由数值模拟结果可知当煤柱宽度为24 m时,当右侧工作面推进180 m时,190 m断面处8202工作面的2202运输巷顶板下沉量仅为230 mm,两帮移进量也只有70 mm,右侧工作面超前支护段巷道变形量较小,可以保持较好的稳定性,从而可知当煤柱宽度为24 m时,8202工作面运输巷易维护.

4　现场实测

在首采8203工作面前方100 m的回风巷内,与底板距离1.5 m,每隔1.5 m向煤柱内布置一个钻孔应力计,钻孔深度依次为3 m、5 m、10 m、15 m,且为了验证所测数据的正确性,在15 m钻孔后方布置第二个5 m钻孔(图中称为2钻孔),钻孔应力观测结果如图3所示.

图3　钻孔应力随工作面推进的变化值

由图3可知,3 m深钻孔的应力变化表现基本与两个5 m深钻孔相同,只是应力峰值要比5 m钻孔要小,这主要由于3 m处靠近煤柱边缘,水平应力相对于5 m深处要小,因而数值应力相对减小;而10 m钻孔则并没有应力下降,可见其并没有破坏;15 m钻孔应力变化相较其他钻孔应力变化发生了本质变化,其应力增长缓慢,也很少有突越,只有当工作面推进到距离该孔5 m时,该孔发生破裂应力才出现比较大的增长,整个过程应力始终不太大,这主要是由于15 m钻孔深处煤柱并未破坏,侧向支承压力峰值没有转移到距离煤柱表面15 m处,故煤柱存在弹性区.可见采用30 m煤柱时,采动影响下煤柱破坏区宽度大约为5～10 m,巷道变形量也较小.后期右侧工作面开采阶段煤柱塑性区宽度大约为10 m,故煤柱内有10 m的弹性核,煤柱尺寸偏大.

5　结论

(1)采用理论分析的方法得出特厚煤层区段煤柱受煤层强度的影响较大,且与采高、k值、应力集中系数满足线性关系,确定8203工作面煤柱宽度应大于23 m.

(2)当煤柱宽度为16 m、20 m时,当右侧工作面分别回采80 m、100 m时塑性区将会贯通煤柱,导致其失去承载能力,这两种煤柱宽度的承载能力和应力分布变化较小;而当煤柱宽度为24 m 时,在右侧工作面推进过程中,塑性区没有贯穿整个煤柱,在右侧工作面推进200 m时煤柱塑性区形状发育大致呈左右两半圆形分布,其塑性区深度两侧各8 m,煤柱内部仍然存在8 m宽的弹性区,应力分布呈马鞍型,煤柱处于稳定状态.

(3)理论分析、数值模拟以及现场实测数据表明,当煤柱宽度大于23 m时,在工作面回采过程中能够保证巷道的稳定性.所以现场采用30 m宽的煤柱尺寸偏大,可以进一步缩小煤柱尺寸,提高资源回收率.

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