大傾角特厚煤層區段煤柱合理尺寸研究

任重先

(山煤集團 經坊煤業,山西 長治 046000)

大傾角特厚煤層區段煤柱合理尺寸研究

任重先

(山煤集團 經坊煤業,山西 長治 046000)

以某礦5#大傾角特厚煤層區段煤柱留設為工程背景,基于極限平衡理論和廣義米塞斯準則理論計算得到煤層傾角為35°時區段煤柱寬度,得出留設區段煤柱25.6 m左右。運用FLAC3D數值模擬了不同煤柱寬度時巷道圍巖應力和塑性區分布特征,模擬結果表明留設區段煤柱寬度在25 m較合理。

大傾角特厚煤層;區段煤柱;極限平衡理論;數值模擬

大傾角煤層一般是指傾角為35°～55°的煤層[1],在我國大傾角和急傾斜煤層大約占煤炭資源總儲量的15%～20%[2],而保護煤柱的寬度直接影響到煤礦的安全生產和正常接替[3]。常西坤[4]以極限平衡理論和摩爾庫倫準則推導出大傾角煤柱塑性區寬度計算公式。侯鳳才[5]考慮到煤層傾角、煤體損傷因素推導出大傾角煤層合理留設煤柱寬度公式。王琳[6]以南山煤礦為工程背景,建立煤柱失穩臨界條件力學模型,得到煤柱失穩條件。

1 工程地質概況

某礦5#煤層埋深約400 m左右,煤層平均傾角為35°左右。5#煤層厚度為8.53 m～16.71 m,平均為13.69 m,采用綜采放頂煤開采。5#煤頂板自下而上依次為中粒砂巖、砂質泥巖、泥巖、粉砂巖,底板以泥巖為主。

2 煤柱理論分析

區段煤柱寬度A計算公式為:

A=x1+L+x2.

(1)

式中:x1為區段煤柱實體煤側塑性區寬度,m;L為煤柱彈性區寬度,m;x2為采空區側煤柱塑性區寬度,m。運用煤(巖)體的極限平衡理論得到區段煤柱實體煤側塑性區寬度x1的計算公式為:

.

(2)

式中:M為煤層厚度,取13.69 m;λ為側壓系數,取0.3;φ0為煤層與頂底板交界面處的內摩擦角,取25.3°;c0為煤層與頂底板界面處的黏聚力,取1.8 MPa;k為應力集中系數,取0.3;γ為上覆巖層容重;H為煤層埋深,400 m;α為煤層平均傾角,35°;px為支護阻力,kPa;計算得出x1=8.4 m。采空區側煤柱塑性區寬度x2可用下式計算:

(3)

計算得到x1=8.0 m。

一般認為煤柱彈性區寬度L也有兩部分組成,即靠近下側塑性區的彈性區L1和靠近上側塑性區的彈性區L2兩部分組成。即:

運用廣義米塞斯理論和彈性力學求解主應力及計算彈性區寬度L1、L2時,則煤柱彈性區公式為:

計算得到L=L1+L2=3.7+5.5=9.2 m .

則:A=x1+L+x2=25.6 m,經過理論計算得到某礦大傾角區段煤柱為25.6 m。

3 不同尺寸區段煤柱數值模擬

3.1模型的建立

模擬5#煤層埋深取400 m,推進長度為60 m,上下工作面長度為75 m。邊界使用水平和垂直方向限制,固定底部,同時模型頂部巖層三角覆蓋使上部載荷均勻附在上部邊界。其巖石力學參數如表1所示。

表1 5#煤層巖石力學參數

3.2數值模擬結果及分析

不同煤柱寬度下煤柱塑性區見圖1。

1-a 區段煤柱10 m

1-b 區段煤柱15 m

圖中可以看出:當區段煤柱寬度10 m和15 m時,煤柱整體破壞失穩;區段煤柱寬度為20 m時,煤柱彈性區為5 m;區段煤柱寬度為25 m時,煤柱彈性區為8.5 m,與理論計算值接近,煤柱較為穩定;彈性區寬度與理論計算寬度相近,煤柱穩定性較好;由圖1-e和1-f可知,隨著煤柱寬度增加塑性區寬度也隨之增加,但此時煤柱穩定性變化不大。

1-c 區段煤柱20 m

1-d 區段煤柱25 m

1-e 區段煤柱30 m

圖2為不同煤柱寬度下煤柱垂直應力情況,圖3為不同區段煤柱寬度時煤柱垂直應力分布曲線。

由圖2、3可知區段煤柱10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m時,支承壓力峰值分別為23.8 MPa、23.0 MPa、22.1 MPa、21.5 MPa、21.2 MPa、21.0 MPa,應力集中系數分別為2.31、2.22、2.15、2.08、2.06、2.04,隨著煤柱寬度增加,煤柱應力集中系數減小。

2-a 區段煤柱10 m

2-b 區段煤柱15 m

2-c 區段煤柱20 m

2-d 區段煤柱25 m

2-e 區段煤柱30 m

2-f 區段煤柱35 m圖2 不同煤柱寬度下煤柱垂直應力Fig.2 Vertical stress of coal pillars with different width

圖3 不同區段煤柱寬度時煤柱垂直應力分布曲線Fig.3 Vertical stress distribution of coal pillars with different width

由圖3可知,區段煤柱采空側應力峰值大于回采側,區段煤柱為10 m、15 m時,區段煤柱支承壓力在回采側達到一個峰值后,支承壓力基本保持不變,說明煤柱中部不存在彈性區。區段煤柱為20 m時,煤柱達到應力峰值后應力逐漸降低,但幅度較小,說明煤柱彈性區范圍較小。區段煤柱為25 m時,煤柱達到應力峰值后應力逐漸降低,幅度較大,說明煤柱彈性區范圍較為明顯,煤柱穩定性好。且隨著煤柱寬度增大塑性區增大,但煤柱中部應力最小值和第二個應力峰值變化不明顯,說明對煤柱穩定性影響較小。

4 結 論

1) 通過極限平衡理論和廣義米塞斯準則理論計算得到5#大傾角煤層保護煤柱寬度為25.6 m。

2) 通過數值模擬得到在二次回采階段區段煤柱垂直應力呈現不對稱“馬鞍形”分布,且采空側應力峰值大于回采側。

3) 通過數值模擬和理論計算確定5#大傾角煤層合理保護煤柱寬度約25 m左右。

[1] 伍永平,員東風,張淼豐.大傾角煤層綜采基本問題研究[J].煤炭學報,2000(5):465-468.

WU Yongping,YUN Dongfeng,ZHANG Miaofeng.Study on the Elementary Problems of Full-mechanized Coal Mining in Greater Pitching Seam[J].Journal of China Coal Society, 2000(5):465-468.

[2] 石平五.西部煤礦巖層控制泛述[J].礦山壓力與頂板管理,2002 (1):6-8.

[3] 張基偉,古亞丹,王金安,等.急傾斜煤層支承壓力分布特征研究[J].煤礦安全,2015(5):67-70.

ZHANG Jiwei,GU Yadan,WANG Jin'an,etal.Research on Support Pressure Distribution Characteristics of Steeply Inclined Coal Seam[J].Safety in Coal Mines,2015(5):67-70.

[4] 常西坤.村莊下大傾角煤層條帶煤柱合理尺寸研究[D].青島:山東科技大學,2007.

[5] 侯鳳才.大傾角煤層區段煤柱合理留設寬度研究[J].煤炭工程,2012(3):3-5.

HOU Fengcai.Study on Rational Set Width of Sectional Coal Pillar[J].Coal Engineering,2012(3):3-5.

[6] 王琳,王廣宏,董靜.大傾角煤層長壁工作面區段煤柱尺寸留設模擬[J].礦業安全與環保,2016(6):74-77.

WANG Lin,WANG Guanghong,DONG Jing.Simulation of Section Coal Pillar Size Reserved for Longwall Face of Steeply Inclined Coal Seam[J].Mining Safety and Environmental Protection,2016(6):74-77.

ReasonableSizeofSectionCoalPillarsinSteepThickCoalSeam

RENZhongxian
(JingfangCoalCo.,Ltd.,ShanxiCoalInternationalEnergyGroup,Changzhi046000,China)

Taking section coal pillars in No. 5 steep thick coal seam as the engineering background, based on Limit Equilibrium Theory and Extended Mises Yield Criterion Theory, the width of the section coal pillar was calculated to be about 25.6 meters at the inclination angle of 35°; FLAC3Dsoftware was used to simulate the distribution of the surrounding rock stress and plastic zones of coal pillars with different width. The simulation result showed the reasonable width to be 25 meters.

steep thick coal seam;section coal pillar;Limit Equilibrium Theory;numerical simulation

1672-5050(2017)03-0023-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.007

2017-04-25

任重先(1987-)，男，山西長治人，大學本科，助理工程師，從事煤礦通風安全管理。

TD822+.3

A

(編輯:薄小玲)