姬王鵬,劉長(zhǎng)友,郭衛(wèi)彬,王 曉,劉 鋒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

特厚煤層大巷保護(hù)煤柱寬度數(shù)值模擬研究

姬王鵬1,2,劉長(zhǎng)友1,2,郭衛(wèi)彬1,2,王 曉1,2,劉 鋒1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221116)

保護(hù)煤柱寬度的留設(shè)是煤礦安全經(jīng)濟(jì)開采的重要影響因素。通過(guò)UDEC數(shù)值模擬分析安家?guī)X二號(hào)井工礦B902綜放工作面的合理停采線位置,即在保證回撤通道穩(wěn)定的前提下,既能保證輔運(yùn)大巷不受破壞,又能使煤炭資源損失最小的煤柱寬度。

數(shù)值分析;保護(hù)煤柱;綜放工作面

對(duì)于受采動(dòng)影響巷道,其維護(hù)狀況除了受巷道所處位置的自然因素影響之外,主要取決于采動(dòng)影響[1]。工作面回采后,工作面超前支承壓力對(duì)巷道的影響最大,超前支承壓力影響范圍一般為 40～60m,峰值距煤壁一般為 4～8m[2]。

現(xiàn)階段由于缺乏有效的正確的大巷保護(hù)煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算方法與原則,許多礦井大巷保護(hù)煤柱留設(shè)不合理,過(guò)大造成資源浪費(fèi),過(guò)小導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形,影響巷道正常使用[3-4]。

對(duì)安家?guī)X二號(hào)井工礦大巷受采動(dòng)影響下巷道的變形破壞進(jìn)行研究,在綜合考慮安全回撤通道位置[5-7]的前提下,采用數(shù)值模擬研究分析在不同寬度的保護(hù)煤柱下大巷周邊的應(yīng)力場(chǎng)分布,塑性破壞分布以及周圍圍巖的變形情況,確定大巷保護(hù)煤柱的合理留設(shè)寬度。

1 工程概況

B902綜放工作面位于安家?guī)X二號(hào)井工礦西部,其南為 3條大巷保護(hù)煤柱線,北為安太堡露天礦,西為B901工作面采空區(qū),東為B903設(shè)計(jì)工作面。工作面可采走向長(zhǎng)度為 1415m,面長(zhǎng)為 300m,煤層厚度平均 13.76m,煤層平均傾角 3°,基本頂為粉砂巖,約 4.64～8.25m,直接頂為砂質(zhì)泥巖2.36～5.83m,直接底為泥灰層及泥巖,約 0.91～5.13m。B902工作面為傾斜長(zhǎng)壁后退式全部垮落法綜合機(jī)械化放頂煤開采,機(jī)采高度 3.46m,平均放煤高度 10.3m,采放比為 1∶3。輔運(yùn)大巷離工作面最近,所以只需考慮輔運(yùn)大巷的保護(hù)煤柱寬度即可。輸運(yùn)大巷和工作面布置平面見圖 1。

圖1 輔運(yùn)大巷和工作面平面布置

2 研究?jī)?nèi)容與目的

通過(guò)UDEC數(shù)值模擬對(duì)在不同煤柱寬度下輔運(yùn)大巷的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,從而確定合理煤柱尺寸的大小,做到既能保證輔運(yùn)大巷不受破壞,又防止大巷保護(hù)煤柱的寬度太大浪費(fèi)資源。

3 數(shù)值模型的建立

根據(jù)安家?guī)X二號(hào)井工礦B902綜放工作面地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件,建立模型長(zhǎng) 200m,高 62.7m。模型中巖體、節(jié)理變形破壞模型均為摩爾 -庫(kù)倫模型。數(shù)值模擬中各煤巖層力學(xué)參數(shù)如表 1。

表1 煤巖層塊的力學(xué)參數(shù)

建立數(shù)值模擬模型,如圖 2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

根據(jù)綜采 (放)工作面回撤通道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的有關(guān)研究成果可知[7-8],回撤通道一般確定在斷裂的基本頂關(guān)鍵塊下比較合適,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)的結(jié)果得出基本頂?shù)膩?lái)壓步距為 15m[6-7]。

根據(jù)基本頂來(lái)壓步距和來(lái)壓與工作面推進(jìn)位置關(guān)系,運(yùn)用數(shù)值模擬,分別計(jì)算終采線在 3個(gè)關(guān)鍵塊下 (即大巷保護(hù)煤柱分別為65m,50m和35m),大巷周邊應(yīng)力分布和大巷的變形破壞情況。

4 大巷保護(hù)煤柱寬度的分析

4.1 不同煤柱尺寸大巷周邊的應(yīng)力場(chǎng)分布

圖 3 不同煤柱寬度大巷周圍應(yīng)力場(chǎng)分布

從圖 3可以看出,當(dāng)煤柱為 65m時(shí),工作面前方的超前支承壓力影響范圍為 27m,最大值為12MPa;當(dāng)煤柱為 50m時(shí),支承壓力的影響范圍為25m,最大值為 12MPa;當(dāng)煤柱為 65m和 50m時(shí),工作面煤炭采出,形成的超前支承壓力沒(méi)有明顯影響到大巷,大巷周邊的應(yīng)力水平?jīng)]有明顯的增加。煤柱為35m時(shí),采煤工作面前方的超前支承壓力已經(jīng)影響到大巷,影響范圍為 35m,支承壓力最大值為 10MPa,影響范圍變大,但是峰值降低,是煤柱不穩(wěn)定的前兆,輔運(yùn)大巷工作面?zhèn)鹊淖畲髩毫?MPa。

4.2 塑性破壞場(chǎng)分布

不同煤柱寬度時(shí)的煤柱和大巷塑性區(qū)分布如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度時(shí)煤柱與大巷周邊巖體的塑性破壞場(chǎng)分布

從圖 4可以看出,煤柱為 65m時(shí),塑性破壞超前工作面 17m,煤柱為 50m時(shí),塑性破壞超前工作面 18m;煤柱 65m和 50m時(shí),大巷周邊塑性破壞沒(méi)有明顯變化。煤柱為 35m時(shí),塑性破壞超前工作面 30m,塑性破壞的寬度明顯增加,且大巷周邊塑性破壞明顯增加。

4.3 大巷的圍巖變形情況

不同煤柱寬度時(shí),輔運(yùn)大巷的頂板下沉量和幫鼓情況如圖 5和圖 6所示。

從圖 5和圖 6中可以看出,煤柱為 65m時(shí),大巷的頂板下沉量為 8mm、幫鼓量為 3mm;煤柱為50m時(shí),大巷的頂板下沉量為5mm、幫鼓量為3.5mm;煤柱為 35m時(shí),頂板下沉量為 78mm、幫鼓量為40mm。

圖5 輔運(yùn)大巷的頂板下沉量

圖6 輔運(yùn)大巷的幫鼓量

5 結(jié)論

從對(duì) 3個(gè)不同寬度煤柱的計(jì)算,可以看出,煤柱在65m和50m時(shí),輔運(yùn)大巷的破壞變形情況都相差不大,在煤柱為 35m時(shí),回撤通道的塑性破壞嚴(yán)重,煤柱大部分出現(xiàn)塑性破壞,大巷的變形破壞嚴(yán)重。所以,煤柱留設(shè) 50m是合理的,35m時(shí)大巷不穩(wěn)定,65m時(shí)則造成煤炭資源的浪費(fèi)。

[1]徐永圻 .煤礦開采學(xué) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1999.

[2]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[3]陳炎光,陸士良.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制 [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.

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[責(zé)任編輯:周景林]

Numerical Simulation of Coal PillarW idth for Protecting Ma in Roadway in Extremely Thick Coal Seam

J IWang-peng1,2,L IU Chang-you1,2,GUO Wei-bin1,2,WANG Xiao1,2,L IU Feng1,2

(1.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China; 2.State KeyLaboratory of Resource&SafetyMining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

Design for protective coal pillar’swidth is an important influence factor for safety and economicalmining of coalmine.This paper analyzed and obtained rational terminalmining location ofB902 Full-mechanized CavingMining Face with UDEC sof tware.Coal pillarwidth determined by thismethod could protect assistant transportation roadway and reduce coal resource loss.

numerical simulation;protective pillar;full-mechanized cavingmining face

TD822.3

A

1006-6225(2010)05-0032-03

2010-06-17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (2007CB209400),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (50774079)

姬王鵬 (1986–),男,山西晉城人,研究生,從事礦山巖體力學(xué)與放頂煤開采方面的研究。