铜川矿区区段煤柱宽度优化研究

图 2 钻孔窥视图像 ( 超前工作面 8 m )
成的侧向砌体梁如图 3 所示。在该过程中 , 基本顶 给定变形 的 形式 作用于 直接 顶和 煤体 , 给定压力 , 基 基本顶作用于直接顶的压力称为
本顶给定压力的大小与煤体及直接顶的力学性质、 厚度有关。
l 关键块的长度 ; k 1 采空侧应力集中系数 ; k2 覆岩容重 ; H 掘巷引起的应力集中系数 ; 煤层埋深
(1 . M in ing and D esign D epartm en t , T iand i S cience and Technology C ompany L td. , Be ijing
100013 , Ch ina; 727000 , China )
3 . R ockM echanics and Support C omm ittee ,
Optim ization R esearch on Sectional Coal P illar W idth in Tongchuan M in ing A rea
LOU Jin - fu
1, , 2 , 3 4
, L IU Shao-hong
4
1, 2, 3
, ZHONG Jian - long ,
计算、 经验公式 、数值模拟等方法进行了煤柱宽度的优化研究。 理论分析与实测表明, 在目前的工 字钢梯形棚支护条件下, 区段煤柱靠近巷道侧的塑性区宽度为 4~ 5 m, 靠近采空区一侧的塑性区 宽度为 5 2 m, 煤柱内部弹性区宽度按 2 5 ~ 4 6 m 考虑为宜 。 据此结合该矿区当前的开采深度 , 通过离散元数值软件进行了不同煤柱留宽的效果检验, 最终确定在工字钢架棚支护的条件下, 区段 煤柱的合理留宽为 20 m。 关键词 : 区段煤柱; 塑性区; 煤柱宽度 ; 数值模拟; 工字钢支护 中图分类号 : TD322 3 文献标志码: A 文章编号: 0253- 2336 ( 2011) 05- 0029- 04
, 主要集中在 :
基于大量实测结果的数理
统计、归纳推理得出不稳定围岩条件下护巷煤柱尺 寸; 运用矿山压力理论确定煤柱尺寸的方法及经 验公式 ; 通过数值 分析软件研究 巷道的围岩变 根据岩体的极限平衡理 形 , 确定煤柱合理尺寸;
1 煤层概况
铜川东部矿区主采 5- 2 煤层 , 平均厚度 2 85 m, 倾角 4~ 12 , 埋深 280~ 450 m, 煤层为低瓦斯 29
100013 , Ch ina; 4 . Tongchuan Coa l M in ing Adm inistra tion, T ongchuan
Abstrac t : A ccording to the ove r w idth o f the sectiona l coa l pillars, lo w coa lm in ing ra te from the coal m ining face in T ongchuan M in ing A rea , the s ite measure m ent , the theoretica l ca lcu la tion, experience for m ula , num er ica l si m ulation and other me thodsw ere co m prehensive ly applied to the opti m iza tion study on the coal p illar w idth . T he theo re tica l ana lys is and s ite m easure m en ts show ed tha t under the steel H - beam ladder shie ld support condition, the sectional coa l pilla r w idth nea r the one side p lastic zone of the gatew ay w as rang ing fro m 4~ 5 m, the coa l p illar w idth near one side p lastic zone of goaf was 5 2 m. T he coal pillar w idth in the p lastic zone should be considered as 2 5~ 4 6 m. A cco rd ing to the m ining depth of the m in ing area , the disc rete e lem ent num er ica l so ftw are was app lied to verify the differ ent w idth e ffect o f the coal pillar . U nder the stee lH - bea m sh ield support conditions , the rationa lw idth of the sectiona l co al p illar w as deter m ined as 20 m. K ey word s : sectional coa l p illar ; p lastic zone ; coa l pillar w idth ; num er ica l si m ulation; stee lH - beam support
c
2 1 巷道侧煤柱的塑性区宽度 为了全面掌握采动过程中煤柱塑性区的变化特 征 , 采用钻孔窥视仪实测了巷道掘进阶段、超前支 承压力影响阶段以及工作面前方卸压阶段的煤柱塑 性区宽度。根据孔壁裂隙发育特征, 以上各阶段的 塑性区特征概括如下。 巷道掘进阶段, 塑性区宽 度 0 ~ 3 m。 受超前支承压力影响, 煤柱破坏深 度增大。超前工作面 25 m 时破坏深度为 0~ 4 m, 孔壁有一定的收缩变形。 超前工作面 8 m 时 , 观 测孔已位于应力降低区内 , 钻孔变形加剧 , 窥视过 程多次受阻 , 其中 0~ 4 m 范围内孔壁严重收缩变 形 , 图 2 为该阶段的实测资料。 根据上述分析, 从煤柱安全的角度考虑, 巷道 侧的塑性区宽度定为 4~ 5 m。 2 2 采空区侧煤柱的塑性区宽度 根据覆岩破断结构的砌体梁理论 , 采空区侧形 30
第 39 卷第 5 期 2011 年 5月
煤炭科学技术
Coal Science and T echno logy
V ol 39 N o 5 M ay 2011
铜川矿区区段煤柱宽度优化研究
娄金福
1 , 2 , 3
, 蓝
航
1 , 2 , 3
, 刘少虹
1 , 2 , 3
, 种建龙 , 贾志锋 , 李国庆 , 王
[ 5]
, 将煤层 与顶板岩层的力 学参数代入上
娄金福等 : 铜川矿区区段煤柱宽度优化研究
2011 年第 5 期
式 , 得塑性区宽度 x 0 = 5 2 m。
k 1一般在 2 5~ 3 0 , 巷道引起的应力集中系数 k2 在 2 0~ 2 5 。试验工作面埋深 280 m, 取覆岩容重 25 kN /m , 则原岩应力 H 为 7 M Pa , 侧压系数 为 0 49 , = sin / ( 3
2011 年第 5 期
煤炭科学技术
第 39 卷
不自燃煤层。该煤层顶板为复合顶板 , 直接顶由砂 质泥岩、 5 - 1 煤层和 炭质泥岩组成 , 厚度 3 0 ~ 6 0 m, 厚 度变化较大。基本顶为长石石 英砂岩 , 交接面富含白云母碎片, 厚度 3 0~ 7 0 m。 铜川东矿区综采工作面倾斜长度一般 150 m 左 右 , 回采巷道普遍采用工字钢梯形棚支护 , 区段煤 柱留设 30 m。目前该矿区面临煤炭资源枯竭的紧 张局面 , 在巷道的现有支护条件下, 进行区段煤柱 尺寸优化, 提高煤炭回收率是东矿区各矿可持续发 展的重要途径。
2 煤柱两侧塑性区宽度的确定
留设煤柱一直是煤矿的主要护巷方法 , 煤柱宽 度对巷道稳定性和煤炭资源回收率有重要影响。煤 柱留设如图 1 所示, 煤柱宽度 W = x 0 + L 1 + L 2 + R, 其中: L 1、 x 0分别为采空区侧的弹性区、塑性区宽 度 , m; L 2、 R 分别为巷道侧的弹性区、塑性区宽 度 , m。 是以
( 3+ sin
2
) )
=
0 111 85 , K = 3c cos / 3+ sin = 3 411。将上 述参数代入 , 得 L = L 1 + L 2 = 2 5 m。
4 区段煤柱宽度的数值模拟
综合上述分析, 初步确定煤柱留设宽度 W = x 0 + L 1 + L 2 + R = 11 7 ~ 15 0 m, 其中 , x 0 = 5 4 m, R = 4~ 5 m, L 1 + L 2 = 2 5~ 4 6 m。为确保煤柱的 安全, 取 1 1 倍的 富裕系数 , 即实际区 段煤柱宽 W = 1 1 W = 13 0~ 16 5 m。 4 1 模拟方案 为了评价煤柱宽度的合理性, 采用 UDEC 离散 元模拟软件进一步验证。煤柱宽度取 4种方案 , 分 别为 15 0 、 17 5 、 20 和 30 m。模型尺寸 400 m 115 m, 上边界施加垂直载荷 3 MP a , 以模拟上覆 地层的重力作用。左右边界施加水平位移约束 , 模 型如图 5 所示。
关键块回转下沉角 ;
lp 基本顶在煤体内的破断距离 ; B 关键块
图 3 采空侧覆岩力学模型
图 1 煤柱弹塑性区分布示意
在计算采空区侧塑性区宽度 x 0之前, 首先确 定关键块 B 的长度 l、回转下沉角 。文献 [ 4] 在 研究过程中假定直接顶为线弹性体, 符合摩尔 - 库 仑准则 , 模型简化为弹性力学的平面应变问题。经 过推导计算 , 得塑性区宽度为 x 0 = lp M (1- 2 E kp =