“三软”煤层采动底板变形特征数值模拟与实测对比分析
淮北矿区_三软_极复杂煤层综采技术研究与实践

2 淮北矿区 三软 煤层综采发展历程
2 1 三软 煤层综采 4个发展阶段 淮北矿业 (集团 )有限责任公司是我国煤炭行业
最早发展综采的单位之一, 自 1974年在朔里煤矿首 次安装试用英国伽利克 4 & 300 t垛式液压支架至今, 综采从无到有, 从使用成套引进综采设备到试制、推 广应用研究国产综采设备, 经历了 4个发展阶段 ( 表 2)。 2 2 三软 煤层综采发展的制约因素
基本底 厚度 /m 岩性
7(祁南煤矿、临涣 71 煤矿、许疃煤矿 ) 72
8( 涡北煤矿 )
81 82
8(朱仙庄煤
矿、芦岭煤矿 )
0. 9~ 1. 8 0. 72~ 6. 85 2 0~ 5. 5 1. 4~ 6 0
8. 0~ 9. 8
0. 2~ 0. 3
0. 1~ 0. 3 0. 3~ 0. 5 0. 2~ 0. 4
近 40 a来, 针对 三软 极复杂煤层地质和生产 技术条件, 淮北矿业 ( 集团 ) 有限责任公司系统 研究 并解决了 三软 极复杂煤层综采关键性技术难题, 大幅度提高了矿区采掘机械化水平和效率, 探索了一 条极复杂条件矿区高产、高效和 安全开采的有效 途 径, 发展和推广了综采技术的应用。
1 淮北矿区 三软 煤层综采技术难点
L IW ei, ZHAN Zhen jiang
(H ua ibei M in ing (G roup ) Co. , L td. , H uaibe i 235000, Ch ina )
Abstract: According to the very com p lex cond itions w ith the w eak coa l bearing strata in H ua ibei m in ing area, through 40 years∀ techno logy research, testing and applicat ion for fu llm echan ized m in ing, innovated a set o f key techno logy of fu ll m echan ized m ining wh ich su its to the com plex cond it ions in the th in coa l seam, m edium th ick coa l seam, th ick coa l seam, specia l thick seam and th ick coa l seam s wh it sho rt d istance. Exp lored a m in ing m ethod w ith high y ield, h igh effective and safety under the very com plex m ining conditions, substantia lly increased the m echan izat ion level and effi ciency in m in ing and advance, achieved the safety and h igh efficient full m echan ized m ining in the w eak coal bearing strata; and deve loped the full m echan ized m in ing techno logy. K ey w ord s: the w eak coa l bearing strata; safety and h igh effic ien;t full m echanized m in ing techno logy
三软煤层巷道底板钻孔卸压的数值模拟优化

收稿日期:2009-09-18作者简介:杨 阳(1985 ),男,山西长治人,在读硕士研究生,研究方向为矿山压力及其控制。
三软煤层巷道底板钻孔卸压的数值模拟优化杨 阳(河南理工大学,河南焦作 454003)摘要:分析了偃龙矿区软岩巷道难以支护的原因,针对三软煤层巷道底鼓问题,采用数值计算方法对底板卸压钻孔深度进行优化设计,并给出了具体的解决方案,即位于底板中部直径为150~300mm 的卸压钻孔,深度应大于巷道底板宽度的一半,小于锚索锚固段的作用范围。
关键词:巷道底鼓;钻孔卸压;正交试验;三软煤层中图分类号:TD 322 5 文献标识码:A 文章编号:1003-0506(2009)11-0012-03Nu m erical Simulation Optim ization for Release Press ure Bore H oleof Road way F loor in Three Soft Coal Sea mYANG Y ang(H enan Poly technic University,J iaozuo 454003,Ch i na)Abstrac t :A na l ysed the reason o f road w ay supporti ng prob l em ,based on heave prob l em o f road w ay i n three so ft coa l sea m,dep t h o f pres s ure re lief bore ho l e w as opti m iza ted w ith nu m er i ca l si m u l a ti on ,spec ific so l ution w as proposed ,too .T he appropr i ate dept h o f bo re ho le w it h d i a m e ter 150~300mm should be greater than t hat o f ha lf o f w i dth of fl oor ,and less than that o f grouted zone o f cab le .K eywords :heave o f ro ad w ay ;pressure reli e f w ith bore ho le ;orthogonal test ;three so ft coa l sea m偃龙煤田地处嵩山西麓,地质构造复杂,由于是典型的滑移构造,造成煤层赋存极不稳定,且对该地区煤系地层的煤岩物理力学性质影响较大,表现为极强的三软(顶板软、煤层软、底板软)特性。
煤层底板采动变形破坏规律的数值模拟研究

板 岩 层 破 坏 。形 成 裂 隙 或 者 原 生 裂 隙 发 生 扩 展 .容 易 发 生 突 底 部 边 界 采 用 全 约 束 边 界 条 件 . 即 X、Y 和 Z方 向 位 移 均 为
水 。 而 破 坏 深 度 的 大 小 是 评 价 底 板 突 水 性 的 重 要 指 标 之 一 。 零 ;左 右 边 界 、前 后 边 界 为 约 束 边 界 条 件 ,即 X 方 向 、Y 方 向
动破 坏深度 。模拟 结果表 明 :l2 煤底 板采动破 坏深度 为 8m 左右 ,大于底板 隔水层厚 度 ,因此认 为 开采 12#煤极有 可能引起 下
部 茅 口灰岩 含水层 突水
关 键 词 FLAC ̄ 底 板 采 动 变形 规 律 底 板 突 水
中图分类号 :TD322.3
文献标 识码 :A
根 据 目前 江 西 省 煤 田地 质 局 二 二 四 地 质 队 进 行 的 河 边 煤 矿 扩 界 勘 探 已 完 工 的 ZK604、ZK506、ZK707、ZKT06、 ZK902、ZK704、ZK705、ZK802孑L 12 煤 层 底 板 与 下 部 茅 口灰 岩 距 离 统 计 情 况 (见 表 2)得 知 ,l2#煤 层 底 板 至 茅 口 灰 岩 顶 板 之 间 的 岩 性 为 泥 岩 、泥 质 粉 砂 岩 及 铝 土 岩 .均 可 作 为 隔 水 层 ,其 间 距 在 2.05~7.54m,平 均 4.81m。
性 ,在 每 一 步 的开 挖 中 ,采 空 区正 下 方 位 簧 处 应 力 值 最 小 .两 帮 出现 应 力 集 中现 象 , 这 也 导 致 底 板 两 侧 位 置 产 生 变 形 破 坏 ,形 成 压 、剪 破 坏 区 ;当 整 个 过 程 打 到 稳 定 时 ,应 力 的 最 大 值在煤 壁前后 方 ,最大数 值达 19.66MPa:最 小值 始终 在采空 区 底 板 下 方 位 置 3 1 煤 层 开 采 底 板 隔 水 层 厚 度 分 析
_三软_煤层坚硬顶板矿压研究及实践

民营科技2011年第12期171MYKJ 实践·思考“三软”煤层坚硬顶板矿压研究及实践李强(安徽淮北矿业股份公司杨庄煤矿,安徽淮北235025)1工作面概况杨庄煤矿Ⅲ532工作面为Ⅲ53采区西翼首采工作面,该面走向长度700m ,倾斜长度130m 。
采深约293m ,煤层厚度0.5~3.09m ,平均厚度2.5m ,煤层倾角10~18°,平均15°。
煤层直接顶为0.3~1.0m 泥岩,平均0.5m,总体为东部厚,西部薄,初采期间直接顶厚度为0.3~0.5m;老顶为闪长玢岩(火成岩),厚度12.0~20.22m,平均16.0m ,硬度系数f=16.8,闪长玢岩底部有少量的天然焦,厚度在1.0m 左右,不稳定;煤层底板为泥岩,平均厚度为9m 。
由于4、5煤层相距较近,在回采过程中,局部地段4煤层火成岩构成5煤的直接顶板。
2工作面开采现况该面于5月21日开始回采,截至7月18日,风巷推进62m,机巷推进35m ,工作面沿走向悬顶距离较大且基本顶仍无明显来压征兆,经研究决定工作面停采,同时研究制定深孔控制爆破方案,对采空区顶板进行强放。
8月1日强放后,工作面煤壁、顶板,支架,采空区均无明显矿压显现,强放未达到预期效果。
继续向前推进5m ,压力显现仍不明显,此时工作面局部超高(47~54架,79~83架),部分支架压力偏低。
8月7日,工作面倾斜跨度达137m ,机巷煤壁距切眼老塘距离46m ,风巷73m ,走向平均59.5m ,悬顶面积达8151.5m 2。
由于强制放顶没有达到预期效果,工作面存在重大威胁源,为保证设备及人员安全,经研究决定工作面收作。
3矿压观测3.1矿压观测方法。
由于该工作面顶板的特殊性,面内除安设17块支架测压表(测压表每5架安装一块,逢5#、10#安装)进行常规矿压观测外,5月27日安设10台红外线动态观测仪(每10架支架安装一台,78#架一台,其余逢3#安装)进行实时监控。
郑州矿区“三软”不稳定厚煤层瓦斯抽放技术

郑州矿区“三软”不稳定厚煤层瓦斯抽放技术1概述郑州矿区,东西长约100km,南北宽5~45km,地层含煤面积1500km2,地质储量24.6亿t。
煤系地层主要为二迭系山西组,含煤两层:二1煤和一1煤。
其中二1煤为可采煤层,煤厚1.19~26.0m,煤厚变化较大,变异系数70.1%;煤质松软,普氏硬度系数0.3~0.5;直接顶多为泥岩和砂质泥岩,底板普遍为泥岩和粉砂岩,二1煤层属典型的“三软”不稳定厚煤层。
郑煤集团公司现有8座生产矿井,年生产能力1000万t。
采用长壁放顶煤一次采全高采煤方法。
其中有5座高瓦斯矿井,分别为超化矿、大平矿、告成矿、裴沟矿和米村矿。
随矿井向深部水平开拓延伸,煤层瓦斯含量增加,采面瓦斯涌出量最高达30m3/min以上,瓦斯治理难度增大。
二1煤层原生裂隙不发育,孔隙率小于4%,煤层透气性系数为0.052m2/MPa2·d,钻孔瓦斯衰减系数为2.35d-1,属较难抽放煤层。
煤层自燃等级为不易自燃,煤尘具有弱爆炸性,爆炸指数为14.1%~17.58%。
2郑州矿区瓦斯抽放技术放顶煤开采的一个显著特点是开采强度高,瓦斯解吸量大,当采面瓦斯涌出量达10m3/min以上时,靠通风稀释瓦斯十分困难,且受到矿井通风能力、风速超限和恶化作业环境等因素制约,瓦斯曾一度成为制约郑煤集团公司生产能力发挥的首要因素。
为彻底根治瓦斯,降低其危害程度,解放矿井生产力,进一步开展瓦斯抽放工作势在必行。
采空区瓦斯涌出量占放顶煤工作面涌出瓦斯总量的60%以上,是造成工作面上隅角及回风流瓦斯超限的主要原因之一。
在较难抽放煤层中,采空区瓦斯抽放是行之有效的方法,适合郑州矿区的开采技术现状。
到2001年,针对各矿井、采面的不同情况,采取了不同的方法综合治理瓦斯。
2.1煤位高抽巷技术在煤厚大于8m的高瓦斯采面,采取煤位高抽巷技术取得了令人满意的效果。
抽放瓦斯浓度一般为20%~60%,最高达80%以上,平均抽放率在40%以上。
“三软”煤层差异化支护探索

样在空间上就形成 了 “ 强一弱一强”的结构,支承压力 由顶板 向底板传递 过程 中,松软易流变 的二 煤层像面
团一样 向巷 道 内鼓 出,普 通金 属支 架难 以适应 如 此 强烈
由于 二 煤层赋存 极不稳定 ,煤层厚度变化较大 ,
长 期 以来 我矿 工 作面 煤巷 布置 普 遍采 用沿 底掘 进 方式 , 支 护 方式 一直 以支架 支护 为 主 ,煤巷 支护 方 式 由最初 的
指滑 过煤 墙 便会 落 下 。煤 层 伪顶 、直 接 顶及 底板 大 多为 强度 较低 的炭质 泥岩 、砂质 泥岩 、砂 质 页岩 等 ,属 典型 的 “ 三软 ”不稳 定 煤层 。
度超过 3 0 0 m 。若巷道埋深为3 0 0 m 时,上覆岩层平均密
度 按2 5 0 0 k g / m 。 计 算 ,则 理 论 上 巷 道 所 处 铅 垂 应 力 约 7 . 4 M P a 。且 大量 实测 结 果表 明 ,构造 应 力和 采动 应 力往 往 数 倍 于 原岩 应 力 ,若 应 力 集 中系 数 取 2 . 0 , 则巷 道 围
l 概述
郑煤集团米村煤矿位于郑州矿 区西北部,该矿 内主
要 开 采 的二 叠 系 山西 组二 煤 ,该煤 层 厚 度 在 O ~3 7 . 8 m 之 间 ,不仅 厚度 变化 大 ,且 受滑 动地 质 构造 影 响 ,煤层
岩稳 定性 的三大 要素 。结合 米村 矿 “ 三 软 ”煤 层赋 存 条 件及 现有 巷 道支 护方 式 ,造 成 “ 三 软 ”煤巷 失 稳破 坏 原
的剪胀变形,加之现有支架抗侧压 能力差,导致大量支
架 出现 失稳 、破坏 。在 该 过程 中由于 巷道 处煤 层 厚度 的
三软煤层底板比压试验及控制研究

力 的作用 时 , 录压 模 上与参 照 高度 的初 值 , 慎控 记 谨
制 手 动把 手 , 每隔 3 记 录 1次 压模 压 入 底 板 的深 0s
度 。当压力 增 加至 底 板 的极 限抗 压 强度 时 , 板 出 底
现 屈 服变形 , 时 压模 压入 底 板 的速 度 和 深度 将 突 这 然 增加 , 力将 有所 释放 , 时在 底板 比压 与压人 深 应 此 度 的关 系 图 中会 出现 相 应 的 拐 点 , 拐 点对 应 应 力 该
造 成 单 体 支 柱 钻 底 情 况 严 重 , 个 支 护 系 统 刚 度 下 整
表 中直接得 到 比压 值 的大小 。沿 工作 面长 度方 向选
择 具 有 代 表 性 的 3个 测 区 ( 1 , 个 测 区 进 行 3 图 )每 次 试验 。
降, 采场 支护 效 果 不理 想 。为控 制 底 板 岩 石 失 稳 现 象, 保证 支护 体 的有效 支撑 效果 , 研究 了煤层 底板 承 载 能力 , 为底板 的有效 控制 和确 定 整 体 支 撑 刚度 提 供依 据 。底 板 的 比压 及 其 刚 度 在 整 个 支 护 过 程 中起 着至关 重要 的作 用 , 板 的变 形 破 坏程 度 影 底 响 到支护效 果 的好 坏 , 支护 效 果 又 对 安 全 生产 起 着
关键词 : 板比压 ; 底 三软 煤 层 ; 鞋 柱
中图 分 类 号 : D 5 T 35
文 献 标 识 码 : B
文章 编 号 :0 3— 5 6 2 1 ) 2— 0 1 0 10 0 0 {0 1 0 0 2 — 2
河 南西 部矿 区 由于 滑 动地 质 构 造 的影 响 , 得 使 二 , 层变 软 , 地 区矿 井 大 部 分 为 典 型 的 三 软 厚 煤 该 煤 层 , 作面 底板 多为 强度 较低 的页岩 和泥 质页 岩 , 工
三软复杂地质条件提高机械化采煤技术的研究分析

三软复杂地质条件提高机械化采煤技术的研究分析在三软复杂地质条件下,传统的采煤方法受到了很大的限制,机械化采煤技术的研究和分析变得尤为重要。
三软指的是煤层软、煤顶软和煤底软的特征,这些特征给机械化采煤带来了困难和挑战。
为了克服这些难题,需要对三软复杂地质条件下的机械化采煤技术进行深入研究。
首先,机械化采煤技术的研究应包括对煤层软、煤顶软和煤底软的力学性质进行详细的分析。
对于煤层软,需要研究煤层的岩性、抗压强度等参数,以确定适用的采煤机类型和工艺。
对于煤顶软和煤底软,需要研究强度、稳定性和变形性等参数,以确定适当的支护方式和控制措施。
其次,机械化采煤技术的研究应包括对三软地质条件下的采煤机械进行改进和优化。
针对煤层软的特点,可以采用具有较高割煤能力和适应性的采煤机械,如绞刀式采煤机或煤破采煤机。
对于煤顶软和煤底软,可以采用更可靠和稳定的支护装置,如液压支架和密集支架,增强其支护性能。
第三,机械化采煤技术的研究应包括对三软地质条件下的采煤工艺进行优化和改进。
针对煤层软,可以采用割前掘进和综合采煤等先进的采煤工艺,使采煤机械在保持高速、高效的同时,减小对煤层的破坏和煤炭损失。
对于煤顶软和煤底软,可以采用先支护后推采的工艺,以减少动压巷道对煤壁的破坏和产生的煤炭损失。
此外,机械化采煤技术的研究还应注重对三软地质条件下的环境污染和安全问题的分析。
由于机械化采煤技术对周围环境和工作人员的影响较大,需要采取合适的措施来减少振动、噪音和粉尘等有害因素的产生,并确保矿井的安全和稳定。
综上所述,三软复杂地质条件下的机械化采煤技术的研究分析是一项具有挑战性的任务。
通过对煤层软、煤顶软和煤底软的力学性质进行分析,对采煤机械和工艺进行改进和优化,以及注重环境污染和安全问题的分析,可以提高机械化采煤技术在三软复杂地质条件下的应用效果和经济效益。
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根据工作面开采地质条件和开采工艺 , 模型底部
水平 2 采区 ,地面标高 + 0 2 0 2 23 + 2 m,工作面标高
收稿 日期 :09 1— 6 20 — 0 1
边界采用全约束边界条件 , 煤层顶板采用 自由边界条
通信作者 阜家自 薹拿 县: 然科学基垒( 基金) ( 725) 矿业大学“ 青年 项目4 004; 0 中国 启航计划” 项目; 矿 学青年基金项目 资助 中国 业大
层组合结构控制的变化规律. 出了在正常采动情况下软顶、 提 厚的软煤和软底的“ 三软” 煤层底板 变形仅发生在一定浅部范围内, 厚的软 煤和软底对应 力和变形的传播具有一定的缓冲作用. 揭示 了中段灰岩组( 灰) 。 对应力分布和 变形破坏的重要控制作用, 并与该面的实 测相关结果进行 了对比分析. 这为豫西煤炭资源向深部开采所引起的底板水防治提供 了部分力学的参考依据.
2 数值模拟结果
根据矿 区实际周期来压情况 ,本次模拟煤层开
采 的来压步距为 2 ,拟定开挖 8 ,共开采 10 0n l 步 6 m 由于煤层松软 , . 在工作 面推进 的过程 中对 于顶板 没有进行特别 的支护 ,而是按照现场实 际情况任其
关键 词 : 山压 力 ;三软 ” 层 ; 动 底板 变形 ; g- “ 煤 采 实测 ; 值模 拟 数
中图分类号 : D33 T 2
文献标识码 : A
文章编号 :6 2 9 0 (0 0 0 — 03 0 17 — 12 2 1 ) 1 0 1— 4
根据矿 山压力理论 , 采矿过程引起一系列 围岩应 力 的动态平衡 ,是围岩应力场的一个动态平衡过程【 而这种过程的变化是非常复杂的 ,受多种因素 的制 约, 用其它方法难以解决 , 而在数值模拟 中这些影响 因素基本都能得到很好 的实现[] 2. - 如果能从宏观上把 3 握岩体 的力学特性 , 再结合地应力数据 , 数值模拟的 结果完全可用于指导工程实践 由于有限元法从岩 一. 体的本构关系人手 , 根据强度屈服准则、 流动法则及利 用时间步来获得煤层动态开采中底板岩体应力 、应变 和变形破坏规律 ,从而可模拟出底板岩体采动变形破 坏的影响程度和变形范围P . 一 故本次研究拟采用有 限 元程序,借助计算机编程对郑煤集 团超化煤矿 2 0 1 2 6
井下实地观察 , 煤层破碎 、 松软 , 容易产生煤尘 , 于 属
典型 的 “ 软 ” 三 映所研究 问题 的本质 , 又要很好地反映岩体材料本身的物理力 学状态 ,本次数值计算选择了 M h— ol b orC u m 材料模 o
型. 根据郑煤集团超化矿 20 1 26 工作面顶 、底板综合 柱状图和该面相关地质资料 , 可概化得到本次数值模
根据郑州矿 区地质资料及岩芯的物理力学性质 指标测试结果 , 并根据相关文献[- 12 o】 - 中的公式做相应 折减 , 具体结果见表 1 .
3模 型边界条 件 )
1 力 学分析模 型 的前处理
1研究背景及模型的建立 ) 郑煤集团超化煤矿 20 1 26 工作面位于矿井 - 10 0m
…
7 I9T 该工作面走 向长 5 8 1 3 I 1 . 6 m,倾斜长 11 4 m,
面积 8 0 8 2 煤层赋存厚度变化较大, 0 8 . m 二 煤厚整体
呈现北部薄南部厚的趋势 , 厚度 3 ~2 平均 6 . . 1.m, 0 0 .m 0
煤层倾角变化较大 , 表现东部缓西部陡 , 7 。2 . 在 . 1 o 9 8 之间 , 平均 1. , 3 。其直接顶 、 8 底板均为灰色泥岩. 经过
第 2 卷第 1 5 期
湖南科技大学学报( 自然科学版 )
V0. 5 1 No 1 2 .
Ma . 201 r 0
21 0 0年 3月 J un l f ua n esyo S i c o ra o H n n U i ri f c ne&T c nl yN tr c ne E i n v t e e ho g ( au l i c di ) o aSe t o
: 云(95 , , 朱术 17 一)男 安徽灵璧人 , 博士, 讲师 , 从事煤 矿工程地质方面 的教学和科研工作. -  ̄ : y ui @ 6.m E m l hz q 0 l3 0 s h a c
l 3
件, 左右边界采用水平方 向固定 , 竖直方 向自由的边 界条件. 模型计算高度范围以上的岩层及松散层作为 外 载荷 施 加 于 模 型 的上 边 界 ,模 型 采 取二 维 平 面 形 式, 模型长度为 20 高度为 13 . 8 m, 2 模型边界条件及 m 各层厚度见 图 2 为了便于分析采动过程 中竖直方向 . 上 的应力和变形情况 ,故在模型中设置 了 1 1 — 竖直
“ 三软’ ’ 煤层采动底板变形特征数值模拟与实测对 比分析
朱术云 ,鞠远江 ,姜振泉
( 中国矿业大学 资源与地球科学学院 , 江苏 徐州 211) 216
摘
要: 通过数值模拟 系统研究 了矿山压力作 用下郑 州矿 区超化煤矿 2 0 1 2 6 工作 面“ 三软” 煤层底板采动 变形破坏的深度及其受岩
拟的完整底板情况下工程地质平面分析模型 ( I , 图 ) 具体对应岩层见图 2 .
工作面二 。 煤层底板岩体采动变形进行数值模拟和分
析计算 , 研究豫西典型的“ 三软” 煤层采动底板变形特 征, 并把数值模拟的结果与该 面的现场实测资料进行 对 比分 析 .
2计算参数的选择 )
剖 面线 和 2 2水 平切 面线 ,见 图 2 为减少 边界 效应 , — .
条件以及岩体的力学参 数和泊松效应构成初始应力
场一原岩应力场.
.
。 数值模型采用 4 节点的四边形等参单元 , 整个模
拟范围内共划分 8 个单元组 , 共划分单元 4 5 个 , 0 节 5
点 1 3 个 . 8 1 5