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12袁小浩 李正甲 苏继敏 等 综采工作面螺旋钻机回收煤柱可行性分析 2220 年 综采工作面螺旋钻机回收煤柱 可行性分析* * 收稿日期2222-23-08 *基金项目本项目来源于北京天地华泰技术创新基金项目“综采 工作面螺旋钻回收煤柱工艺及设备研究与应用”（项目编号TDHT- KYZOHl） 作者简介袁小浩（187），男,山西高平人,210年毕业于中国矿 业大学电气工程专业，硕士，工程师，现从事煤炭机电管理工作。 袁小浩，李正甲，苏继敏，刘炳权 （北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京100213） 摘摘要为确定合理的开采方案，以提高工作面资源回收率、增加企业经济效益，以纳林庙二号井 6-2119工作面回收保护煤柱为研究背景，采用FLAC3D数值模拟软件对螺旋钻回收煤柱的可行性进 行分析。研究表明，螺旋钻采煤钻孔在工作面开采之前对煤柱整体的承载能力未造成破坏;在工作 面开采过程中螺旋钻采煤钻孔造成钻孔外段5 m区域内的范围应力集中并发生塑性破坏，但未对 煤柱整体承载能力造成影响；纳林庙二号井6-0112工作面螺旋钻采煤布置方案安全合 理，可以为面临煤柱回收问题的矿井提供一定借鉴。 关键词关键词螺旋钻机;煤柱回收;FLAC31模型；应力分布 中图分类号中图分类号TD823.97 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号1974-774X（2222）26-0219-26 FeysibdOy analysis o O co al pillar reco very by augeo machine in f ulOy mechanized mining f ace YUAN Xia bh a o ,LI Zh en g-jia ,U Ji-min ,LIU Bin g-qpa n Beping Tiandi Huatai Mining MaaaepeP Ca., te., Beping 100213 , Chinn AbsOo ct da o r Per t e det er mige a r ea so u a bl e min in g sc h eme, 001X06 t h e r eso a r c e r ec o v er y r a t e o f t h e w o r k in g f a c e a n d in c r ea se t h e ec o u o mic ben ef it s o f t h e en t er pr ise, t a bin g t h e r ec o v er y o f pr o t ec t iv e c o a l pil l a e a t No . 6 11 w o r k in g f a c e o f Na l in mia o No . 5 mUe a s t h e r esea r c h ba c k er o a n d, t h e f ea sibil it h o f r ec ev er in g c o a l pil l a e by a u c er w a s a n a l y zeP by psin g FLAC3D n u mer ic a l simu l a t io u met h o a . Th e r esea r c h sh o w s t h a t t h e a u pee dr il l in g h a s go su bst a n t ia l ef f ec t o u t h e o v er a l i bea r in g c a pa c it y o f c o a i pil l a e bef o r e t h e min in g o f t h e w o r k mg f a c e, t h e st r ess c o u c en t r a t io u a n d pl a st ic da ma ee o c c u r in t h e a r ea o f 3m o a t side t h e bo r ePo l o c a c seP by a u per min in g dr il l in g in t h e min in g pr o c ess o f w o r k in g f a c e,bu t U do es n o t pf ec t t h e o v er a l i bea r in g c a pa c it y o f c o a i pil l a e ； t h e l a y o a t sc h eme o f pccs min in g in t h e w o r k in g f a c e is sbe a n d r ea so u a bl e, w h ic h c a n pr o v ide so me r ef er en c e f o e c o a i pil l a e r ec ev er y in c o a i min e. Key w o rdsdu per ma c h in e；c o a l pil l a e r ec o v er y；FLAC3D mo Oel；st r ess disw iqu t io n 0引言 目前，我国在煤炭开采中，多采用壁式体系采煤 法[1]0采用壁式体系采煤法开采煤层的过程中出 于安全考虑要在矿井中留设保护煤柱，但对于保护 煤柱合理留设的宽度设计，主要依靠现场实际经验 确定，目前尚无合理、准确的煤柱尺寸的计算方 法⑷，保护煤柱有较大的安全富余量，同时，在工作 面开采过程中并未对煤柱进行回收，造成了煤炭资 源的巨大浪费。已有研究表明，保护煤柱的回收利 用能够有效避免煤炭资源的浪费⑶，并给企业带来 较大的经济利益。目前，国外对煤柱回收多年的开 采实践已取得若干成熟经验，建立了煤柱回收的诸 第6期袁小浩 李正甲 苏继敏 等 综采工作面螺旋钻机回收煤柱可行性分析11 多回采工艺，如劈柱式、开端式、袋翼式、外进式、圣 诞树式等［4-］,国内主要采用充填法处理采空区和 空巷后，再对煤柱进行回收8］ 0 在实际工程中，煤柱回收工作面因为其两侧都 已经采空,导致其具有特殊的覆岩破坏特征及矿压 显现规律，给煤柱回收带来了一定的难题。同时，煤 柱回采过程中往往会遇到其它已有采区的空巷等特 殊情况，使得煤柱回收工作面开采面临诸多困 难l9-0。因此研究安全的煤柱回收技术有着重要 的实际意义。为此，以纳林庙二号井6-2112综采工 作面为工程背景,通过对比分析研究螺旋钻回收煤 柱的合理性与可行性，确定合理的开采方案,以提高 工作面资源回收率、增加企业经济效益，为面临煤柱 回收问题的矿井提供借鉴经验。 1模拟计算 1.1工程背景工程背景 纳林庙煤矿二号井（简称“纳二矿”）位于内蒙 古自治区鄂尔多斯境内，可采煤层主要包括6-2煤、 4“煤、4-2煤。其开采条件好，采用一次采全高综合 机械化长壁开采,矿井实际生产能力为500万0-0 目前矿井仅剩余6-2112工作面和6-2116工作面, 其中6-2110X作面倾斜长度为248.5 m,走向长度 为2 930.02 m。该工作面东邻6-2109采空区，西邻 6-2111采空区，南邻煤层井田边界，北邻煤层西翼 辅运大巷。50工作面保护煤柱设计宽度为25叫 为了避免资源浪费，回采工作面的同时，在主运顺槽 布置自行研发的螺旋钻机，在保护煤柱上钻取直径 为Um的钻孔。 1.2建立模型建立模型 flac3D数值模拟软件擅长计算岩土体破坏后 的大变形和峰后特性等问题，国内学者将flac3D引 入到采矿工程中,并取得了一系列成果［11-3］。 模型的建立此次模拟计算共设计2种方案,方 案一为在保护煤柱上不钻取钻孔,直接开挖工作面, 模拟工作面的正常回采;方案二为在距离综采工作 面100 m外的保护煤柱上钻取钻孔,对比观察此时 保护煤柱应力以及塑性状态。模型的总长度为 100. 2 m,宽度为160m,总高度为41.2 m,模型采用 三角形单元，共计2.2X106个单元。模型的前后及 左右边界施加水平约束,模型的底部边界固定，模型 的顶部边界为自由边界，并且在顶部施加岩层自重, 自重载荷为4.724 MPa。模型如图1所示，主运顺 槽煤柱钻孔布置如图2所示。 图1工作面正面 图2靠近主运顺槽煤柱侧面 模型参数的选取结合实验室测得的煤体物理 参数以及调研得到的岩石力学参数，最终数值模拟 采用的参数见表1。 表表1纳二矿岩层物理力学参数表纳二矿岩层物理力学参数表 岩性 密度/ k a -m“3 弹模 /GPa 内聚力 /MPa 内摩擦 角/（。） 泊松 比 抗压强 度 （MPa 土层 1 810-0.23315-- 泥岩 2 500151.5300.315 细粒砂岩 2 660332.2330.225 砂质泥岩 泥岩互层 2 510161.5360.2514 砂质泥岩 细粒砂岩互层 2 545232. 1360.2215 砂质泥岩 2 510161.2360.2515 细粒砂岩 2 660382.2330.233 砂质泥岩 2 510161.2360.2515 细粒砂岩 2 660382.2330.233 砂质泥岩 2 510161.2360.2515 粉砂岩 258422.2360.2236 6-2煤1 374121.34360.2314 2模拟分析 2.1非采动影响非采动影响 对煤柱应力的影响图3为依次钻取采煤钻孔 时煤柱应力的分布图。从图中可以看出，在钻取采 12陕西煤炭2222 年 煤钻孔的垂直方向,形成低压应力区,在钻孔的水平 方向,形成高应力区;相邻的钻孔间有明显的相互影 响，在2个钻孔之间,形成应力场的叠加,进一步形 成较高的应力区。对比煤柱中未钻孔区域,现有采 煤钻孔的布置方式使钻孔之间的煤体产生应力集 中,而在钻孔上端和下端产生卸压作用。 FLAC3D 5 00 32012 It a sc a Con su l t in g Gr oup,Inc. c ul a t ed by Vo l umet r ic Aver a ging -1.753 8E06 -2.000 0E06 -2.500 0E06 -3.000 0E06 -3.500 0E06 -4.000 0E06 -4.500 0E06 -5.000 0E06 -5.500 0E06 -6.000 0E06 -6.500 0E06 -7.000 0E06 -7.500 0E06 -8.000 0E06 -8.500 0E06 -9.000 0E06 -9.387 8E06 FLAC3D 5-00 C2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o u p,In c . to ur o f ZZ-Stress ul a t ed by Vo l umet r ic Av er a gin g 1.307 7E06 1.500 0E06 2.000 0E06 2.500 0E06 0E06 0E06 0E06 0E06 0E06 0E06 0E06 0E06 0E06 7.500 0E06 8.000 0E06 8.500 0E06 9.000 0E06 9.386 1E06 a钻取第1个钻孔时应力b钻取第2个钻孔时应力 Co nto ur o f ZZ-Stress Ca l cul a t ed by Vol umet r ic Av er a ging -1.407 1E06 -1.500 0E06 -2.000 0E06 -2.500 0E06 -3.000 0E06 -3.500 0E06 -4.000 0E06 0E06 0E06 5.500 0E06 6.000 0E06 6.500 0E06 7.000 0E06 7.500 0E06 方案二，煤柱上的 应力值分布比较均匀，仅在钻取钻孔的位置存在部 分的应力集中现象。钻孔的上下两端位置形成低压 应力区，应力值为1.5 MPa;在钻孔的左右两侧，由 于钻孔之间相互的影响，形成应力场的叠加，从而形 成高压应力区，应力值大约为7. 5 MPco随着综采 工作面不断往前推进,煤柱的高应力区也随之往前 移动。对比2种方案下煤柱的应力分布情况发现, 方案一和方案二基本上没有明显的差异。钻孔对于 应力分布的影响范围集中在钻孔周围1. 5 m的范 围内。 b方案二a 方案一 图3回采5.6 m煤柱上应力 图6回采56 m煤柱上应力 图7回采151.2 m煤柱上应力 工作面推进过程中塑性区的演化规律对主运 顺槽煤柱里侧塑性区的分布规律进行研究。如图8 〜1所示。可见，方案二的塑性破坏区较方案一的 要多;在距离主运顺槽较远的部分,2种方案下煤柱 的塑性破坏区基本一致,钻取的钻孔对于煤柱塑性 破坏区分布的影响并不明显。当距离主运顺槽 1 m以外的煤柱,2种方案下的塑性破坏分布基本 一致，且煤柱没有破坏,仅上覆岩层发生了相应的剪 切和拉伸变形，同时，由钻采钻孔引起的煤柱塑性破 坏有一定范围，约为3 mo在距主巷5 m以外，煤柱 几乎没有发生塑性破坏,这也是方案二中支撑顶板 的主要煤柱。再次证明，对于6-211工作面现有 的25 m保护煤柱，有安全富余量。 14陕西煤炭2020 年 FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o up,In c . Zo ne No n e sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p sh ea r -p sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p FLAC3D 5,00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o up,In c . Zo ne ■ No i9e 吩 I sh ea r -n sh ea r -p n sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p II sh ea r -p ■ sh ea r -p t en sio n -p ■ t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p ■ t en sio n -p ... ..沁*；雹 严*沏怦 a方案一b方案二 图9距离主运顺槽1 m处的煤柱塑性区 sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o u p,In c . FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o u p,In c . Cl a n ezon ；No n e sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p sh ea r -p sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -p a方案一 b方案二 图14距离主运顺槽5 m处的煤柱塑性区 a方案一 FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o up,In c . Zo ne B No n e sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -p | t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o u p,In c . b方案二 图1 距离主运顺槽14 m处的煤柱塑性区 FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o up,In c . Zo ne Pl a n e Co l o r by St a t e-Av er a ge No n e sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -p a方案一b方案二 图12距离主运顺槽15 m处的煤柱塑性区 Zo ne Pl a n eon Co l o r by St a t e-Av er a ge No n e sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p sh ea r -p sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p FLAC3D 5.00 2012 It a sc a Co n su l t in g Gr o u p,In c . Col or by St a t e-Av er a ge I No n e I sh ea r -n sh ea r -p sh ea r -n sh ea r -p t en sio n -p sh ea r -p t en sio n -p t en sio n -n sh ea r -p t en sio n -p | t en sio n -p a方案一b方案二 图15距离主运顺槽20 m处的煤柱塑性区 第6期袁小浩李正甲苏继敏等综采工作面螺旋钻机回收煤柱可行性分析1 3结论 1 螺旋钻对煤柱应力的影响主要表现在钻孔 上端和下端产生卸压作用,而在钻孔之间的区域产 生应力集中，同时钻孔周围煤体的塑性破坏主要为 剪切破坏。 2 在煤层开采过程中，煤柱回收钻孔对煤柱 造成的卸压作用范围以及塑性区破坏范围在钻孔外 段5 m的区域内，对煤柱造成的应力集中范围在5 1 m,且钻孔对剩余5 m未钻孔区域的应力状态 基本未产生影响。 3 模拟结果表明螺旋钻采煤钻孔对煤柱整体 的承载能力影响小，且未破坏煤柱的整体性,纳二矿 11工作面螺旋钻采煤布置方案安全合理。 参考文献参考文献 ［1］ 王剑光.采煤法现状及发展趋势［J］.煤矿安全, 2024,56 28-32. J］齐庆新，李一哲,赵善坤，等.我国煤矿冲击地压 发展70年理论与技术体系的建立与思考［J］. 煤炭科学技术,01,79 2-42. ［3］ 李成宇，张士强.中国省际煤炭资源利用效率研 究［J］.中国煤炭,020,63 1-22. ［4］ 李正甲，罗松元,王海云，等.综采工作面螺旋钻 上接第上接第9页页 ［2］ 刘洪永.远程采动煤岩体变形与卸压瓦斯流动气 固耦合动力学模型及其应用研究［J ］煤炭学报, 2011,67 2243-144. ［3］ 聂百胜，马延崑,孟筠青，等.中等尺度煤与瓦斯 突出物理模拟装置研制与验证［J］.岩石力学与 工程学报,21,375 11-125. J］张庆贺.煤与瓦斯突出能量分析及其物理模拟的 相似性研究［D］.济南山东大学,017. 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