构造复杂煤层工作面煤柱宽度留设研究_白云杰(1).pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 处于稳定状态的岩层得到一个方向的空间释放 后， 需要通过外力来控制以达到岩层的稳定。采煤工 作面的围岩控制是保证煤炭安全采出的关键[1-4]。 相邻 工作面之间的煤柱是保护巷道稳定的重要影响因素， 而煤柱的宽度又是煤柱发挥作用的关键。 对于构造复 杂煤层， 煤柱宽度的留设不同于普通煤层。由于构造 复杂煤层顶板岩层多变， 对煤柱的作用不均匀， 不同 位置的岩层对煤柱的破坏影响不同。因此， 研究构造 复杂煤层的煤柱宽度对巷道稳定性的影响至关重要。 本文以鲁西煤矿 3上118 综采工作面和 3上116 综采 工作面之间的煤柱为研究对象， 通过数值模拟分析了 不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道和煤柱的受力和 变形特征， 以选出最佳的煤柱宽度。 1工程概况 鲁西煤矿位于主要含煤地层为山西组和太原组， 总厚度约为 253.60m。3上煤层位于山西组中上部， 埋 深 120～328m。3上煤层厚度为 1.80- 3.15m， 煤层倾角 20～100， 煤内部裂隙较发育。煤层的直接顶为粉砂岩， 厚度为 0.2- 2.5m， 平均 2.3m， 颜色为深灰色， 下部灰 黑色， 巨厚层状， 泥质结构； 煤层基本顶为细砂岩， 厚 度为 4.6～9.5m， 平均为 6.5m， 颜色为灰色， 薄层状， 细 砂状结构， 参差状断口， 波状层理发育； 直接底为粉砂 质泥岩， 厚度为 0.1～1.1m， 平均 0.5m， 颜色为深灰色， 上部厚层状， 下部薄层状， 平坦状断口； 基本底为粉砂 岩， 厚度为 0.6～6.1m， 平均为 4.2m， 颜色为浅灰 - 灰 白色， 薄层状， 细粒砂状结构， 夹煤线及泥纹， 显示水 平层理， 局部夹泥质包体。3上116 工作面与 3上118 工作面为相邻工作面， 3上116 工作面与 3上118 工作 面之间需要留设保护煤柱。 3上煤层受煤层沉积影响， 煤层倾角、 厚度变化较 大， 即为构造复杂煤层。 对于构造复杂煤层， 煤柱宽度 的留设不同于普通煤层。 为保护相邻巷道围岩稳定的 基础上， 提高煤炭开采率， 需要详细研究煤柱宽度对 巷道围岩稳定的影响规律。 2煤柱宽度数值模拟 根据鲁西煤矿的顶底板岩层和煤层分布，运用 构造复杂煤层工作面煤柱宽度留设研究 白云杰 ， 齐春涛 （山东里能鲁西矿业有限公司 ， 山东 济宁 272000 ） 摘要 复杂构造煤层的煤柱宽度留设不同于普通煤层。复杂构造煤层的合理煤柱宽度是保证巷道 围岩稳定和煤炭采出率的关键。本文以鲁西煤矿 3上118 综采工作面和 3上116 综采工作面之间的煤 柱为研究对象， 通过数值模拟分析了不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道垂直受力、 垂直位移和煤柱受 力特征。根据煤柱垂直应力、 不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道垂直位移和水平位移， 确定该复杂构 造煤层的最佳煤柱宽度为 6m。 关键词 煤柱宽度 ； 构造复杂煤层 ； 数值模拟 中图分类号 TD822文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0007-03 Study on the width of coal pillar width in working face of complex coal seam BAI Yunjie ， QI Chuntao （Shandong Lineng Luxi Mining Co., Ltd. ， Shandong ， Jining 272053 ） Abstract The coal pillar width of complex structural coal seams is different from that of ordinary coal seams. The reasonable coal pillar width of complex structural coal seam is the key to ensure the stability of surrounding rock and the coal mining rate. In this paper, the coal pillars between the 3 118 fully mechanized mining face and the 3 upper 116 fully mechanized mining face in Luxi Coal Mine are studied. Through numerical simulation, the vertical force, vertical displacement and coal pillar stress characteristics of 3 upper 118 transport lanes under different coal pillar widths are analyzed. According to the vertical stress of coal pillar and the vertical displacement and horizontal displacement of the three upper 118 roadways under different coal pillar widths, the optimum coal pillar width of the complex coal seam is determined to be 6m. Key words Coal pillar width; structural complex coal seam; numerical simulation 7 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 FLAC3D 数值模拟软件建立数值模型，模型尺寸为 300 m100 m62 m。 对计算模型采用等分的方式划 分单元， 共划分出 148500 个长方体单元和 165031 个 网格点。 根据现有的研究和参考相邻矿井的煤柱留设参 数， 设计煤柱宽度为 2m、 3m、 4m、 5m、 6m、 7m、 8m、 9m、 10m， 分析 3上118 工作面运输巷道的垂直位移、 水平 位移和煤柱垂直应力情况。 2.1巷道围岩变形 不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道垂直位移如 图 1，不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道水平位移如 图 1 所示。 图 1不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道垂直位移 图 2不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道水平位移 由图 1 可知， 随着煤柱宽度的增加， 3上118 运输 巷道垂直位移逐渐降低， 当煤柱宽度为 2m 时巷道垂 直位移为 268mm， 这明显超过巷道允许变形范围。 3上 118 运输巷道垂直位移随煤柱宽度增加而降低的速 率是不同的， 呈现逐渐降低的趋势。 当煤柱宽度为 6m 时，曲线出现了明显的转折点，此时垂直位移为 68mm， 在允许巷道变形范围内。当煤柱宽度大于 6m 时， 随着煤柱宽度增加， 3上118 运输巷道垂直位移的 变化不再明显。 所以， 从巷道垂直位移的角度考虑， 煤 柱最佳宽度为 6m。 由图 2 可知， 随着煤柱宽度的增加， 3上118 运输 巷道水平位移逐渐降低， 当煤柱宽度为 2m 时巷道水 平位移为 256mm， 这明显超过巷道允许变形范围。 3上 118 运输巷道水平位移随煤柱宽度增加而降低的速 率是不同的， 呈现逐渐降低的趋势。 当煤柱宽度为 6m 时，曲线出现了明显的转折点，此时垂直位移为 50mm， 在允许巷道变形范围内。当煤柱宽度大于 6m 时， 随着煤柱宽度增加， 3上118 运输巷道水平位移的 变化不再明显。 所以， 从巷道水平位移的角度考虑， 煤 柱最佳宽度为 6m。 2.2煤柱受力 不同煤柱宽度下 3上118 运输巷道与 3上116 回 风巷道之间的煤柱垂直受力如图 3 所示。 由图 3 可知， 随着煤柱宽度的增加， 煤柱垂直受 力逐渐降低，当煤柱宽度为 2m 时煤柱垂直受力为 15MPa， 这基本超过煤体的抗压强度， 说明煤柱进入 塑性阶段。 煤柱垂直应力随煤柱宽度增加而降低的速 率是不同的，呈现逐渐降低的趋势。当煤柱宽度为 5～6m时， 曲线变化趋势改变的相对较明显， 此时煤柱 垂直应力约为 6～7.5MPa， 未超过煤体的强度。 当煤柱 宽度大于 7m 时， 随着煤柱宽度增加， 煤柱垂直应力 的变化不再明显。 所以， 从煤柱垂直应力的角度考虑， 煤柱最佳宽度为 5～6m。 图 3不同煤柱宽度下煤柱垂直受力 综合煤柱垂直应力、 不同煤柱宽度下 3上118 运 输巷道垂直位移和水平位移， 确定 3上118 运输巷道 与 3上116 回风巷道之间的煤柱最佳宽度为 6m。 3结论 构造复杂煤层煤柱宽度的留设不同于普通煤层。 通过数值模拟研究了不同煤柱宽度下 3上118 运输 巷道垂直位移和水平位移、 以及不同煤柱宽度下煤柱 垂直受力。 从巷道垂直位移的角度考虑，煤柱最佳宽度为 6m；从巷道水平位移的角度考虑，煤柱最佳宽度为 6m。综合煤柱垂直应力、 不同煤柱宽度下 3上118 运 输巷道垂直位移和水平位移， 3上118 运输巷道与 3上 （下转第 11 页 ） 8 ChaoXing （上接第 8 页 ） 116 回风巷道之间的煤柱最佳宽度为 6m。 参考文献 [1] 张广超,何富连.大断面综放沿空巷道煤柱合理宽度与围 岩控制[J].岩土力学,2016,37 （06） 1721- 1728 1736. 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[7] 郑西贵,姚志刚,张农.掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分 布研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29 （04） 459- 465. 作者简介 白云杰 （1974-） ， 男， 山东临沂人， 助理工程师， 鲁西煤矿 调度室主任， 主要从事全矿生产的组织、 协调等工作。 （收稿日期 2018- 9- 25） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 剩余的顶煤放净， 做到 “见矸关窗” ， 控制器主要放煤 参数见表 3。 表 3主要放煤参数 2.4视频监控关键技术 为确保实时动态掌握工作面情况， 工作面共安装 40 台摄像仪，这 40 台摄像仪能根据采煤机的位置， 自动切换， 确保采煤机割煤环境始终处于视频监控当 中。 此外， 我们还在工作面特殊区域安装摄像仪， 包括 前后刮板输送机机头、 机尾、 转载机、 工作面安全出 口、 设备列车集控中心、 皮带头等， 这些特殊区域摄像 仪能实时动态监测这些关键部位的运行情况、 煤流情 况， 工作面安装摄像仪见图 3。 图 3井下支架主顶梁摄像仪 3结论 1 ） 以同煤集团同忻煤矿 8202 综放面为研究对 象，探索了适应该面开采技术条件的自动化技术方 案， 包括采煤机自动截割技术、 液压支架自动跟机移 架控制、 自动放顶煤控制等关键技术， 并依据方案进 行了现场实施。 2 ） 该面自动化技术的应用， 既保证了安全生产， 改善了作业环境， 又提高了劳动效率， 同时使工作面 的可视化、 信息化、 数字化提升到一个新的水平。 参考文献 [1] 王金华. 我国煤矿开采机械装备及自动化技术新进展[J]. 煤炭科学技术,2013,41 （1） 1- 4. [2] 王国法. 煤矿综采自动化成套技术与装备创新和发展[J]. 煤炭科学技术,2013,41 （11） 1- 5. [3] 黄曾华,苗建军.综采工作面设备集中控制技术的应用研 究[J].煤炭科学技术,2013,41 （11） 14- 17. [4] 邱锦波. 滚筒采煤机自动化与智能化控制技术发展及应 用[J].煤炭科学技术,2013,41 （11） 10- 13. [5] 朱金雨,李国莲.液压支架跟机自动化系统设计[J].工矿自 动化,2013,39 （12） 1- 4. [6] 王国法. 综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展 方向[J].煤炭科学技术,2014,42 （9） 30- 34,39. 作者简介 韩建斌， 男， 1984 年 7 月， 中级工程师， 从事煤矿生产管 理工作。 （收稿日期 2018- 9- 20） 参数名称参数值参数名称参数值参数名称参数值 动作范围1架间延迟0启动间隔0 收插时间 16降尾开始 16降尾时间 13 降尾角度 160放煤时间 12升尾时间 13 升尾角度 135上方等待 12循环次数 13 本架喷雾禁止 / 允许邻架喷雾左 / 右 / 无喷雾时间3 插板喷雾禁止 / 允许抖动时间2抖动次数2 11 ChaoXing