低煤层煤柱回采率与顶板和地表沉降研究_李慧.pdf

低煤层煤柱回采率与顶板和地表沉降研究 李慧 （大同煤矿集团大斗沟煤业公司 ， 山西 大同 037000 ） 摘要 本文研究了低厚度浅煤层及覆岩的特性， 在回撤作业中监测顶板和地表沉降， 考虑了爆破对 煤柱强度的影响， 采用常规三维数值模型模拟了顶板沉降和常规方法预测地表沉降， 与实测顶板和地 表沉降进行了对比。 研究表明， 由于残余煤柱和低煤层导致实际顶板和地表沉降量均低于常规预测方 法的沉降量。 关键词 地表沉降 ； 顶板沉降 ； 回采作业 ； 煤炭 中图分类号 TD823文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0119-03 Study on coal recovery rate of low coal seam and roof and ground settlement LI Hui （Datugou Coal Mining Company, Datong Coal Mining Group , Datong 037000 , China） Abstract In this paper, the characteristics of low-thickness shallow coal seams and overburden are studied. The roof and surface settle- ment are monitored during the retracement operation. The influence of blasting on the strength of coal pillars is considered. The conven- tional three-dimensional numerical model is used to simulate roof settlement and conventional s to predict surface settlement. Compared with the measured roof and surface settlement. Studies have shown that the actual roof and surface settlement are lower than the settlement of conventional prediction s due to residual coal pillars and low coal seams. Key words surface settlement ; roof subsidence ; mining operation ; coal 0引言 煤柱的回采意味着地表的沉降， 如果煤层深度 小于 100m， 沉降可能大。房柱回采沉陷预测非常复 杂， 取决于剩下的残余煤柱的大小以及高度和回撤 煤柱的状态， 与残余柱的强度也有关。残余柱的强 度与开挖方法钻爆法或机械法有关[1,2]。大同煤矿 集团大斗沟煤业公司矿区内的一些整合的小煤矿， 采煤方法以前为房柱开采法，其煤柱回采率越高， 煤柱变形和顶板位移越大。以此建立顶板沉降预测 模型， 与实测沉降进行了对比。 1现场采矿实践和观察 由于矿山的总产量较低， 公司研究通过提高煤 柱回采率来提高煤炭采收率。在试验过程中进行了 多次回采实践的迭代，并将此方法应用于研究矿 井。最初， 只有一侧煤柱回采了 2m 深。即回采前煤 柱尺寸为 7m7m， 回采后柱尺寸为 7m5m。该回 采方式的采收率约为 65。图 1 煤柱 （B 柱） 为公司 原回采后煤柱图和现公司改进回采后煤柱 A。 公司决定推进更高效的回采应用，挖掘更大体 积的煤柱。第一次切割后， 从矿柱上再挖出 2m5m 的二次切割， 将矿柱尺寸减小到只有 5m5m （图 1 A 矿柱 ） ， 改进后面板的全部采收率提高到 75～80。 图 1原回采后煤柱图 B 和现改进回采煤柱图 A 图 2工作面板爆破区和监测点 图 2 为改进后面板和监测点位置。实施爆破后 柱子的最终形状不是方形， 这是由爆破过程失控造 成。 图 2 为变形后柱子的最终形状 A 和开采阶段柱 的形状 B。煤柱面积变化较大 16～33m2之间， 预计 目标面积为 25m2。爆破后平均柱面积为 23.27m2， 标 准差为 4.88m2。每根柱子的最终形状和强度也是不 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 119 ChaoXing 同的。爆破作业对煤柱完整性的另一影响为 在爆 破过程中， 部分激波仍留在煤柱内， 导致削弱剩余 的支柱强度。 （a）沉降量（b）沉降率 图 3实际顶板沉降监测值 图 3 为沉降区域的收敛监测。当工作面位于 T36 时， 工作面后 5 ～ 6 排柱子开始挤压， 顶板沉降 速度快， 沉降量变大， 如图 3 （a ） 所示。 失效的迹象是 煤柱开始破裂。挤压发生的非常快， 之后顶板沉降 率下降， 最终在两个月内稳定下来， 如图 3 （b） 所示。 在煤柱破坏过程中， 对地表面沉降进行了监测。三 个月后沉降达到平衡 （如图 4 所示） 。 图 4实际测量地表沉降值 2支柱力量 采用 Mark and Chase 2013 年研究的煤柱稳定 性 （ARMPS ） 软件设计工具分析设计煤柱， 煤层强度 输入为 6.5MPa[2]。 煤层强度采用 Satyanarayana I 等人 提出的反向分析方法。在 Satyanarayana I 等人的研 究中，在 145m 的覆岩层深度下，采用高 1.3m 的 5m5m 方柱进行面板试验。 在这次测试中， 柱子没 有失效。据此估算煤体强度为 6.5MPa[3,4]。 在本文重点研究的面板中， 开发柱为 7m7m， 剩余柱为 5m5m。Satyanarayana I 等人进行的面板 试验与公司改进回采煤柱面板试验的区别是 改进 后的 5m5m 煤柱是由煤柱两侧的两组连续爆破而 产生的结果 （图 1 中 A 煤柱） 。 采用与 ARMPS 相同的反向分析方法，必须降 低柱的强度， 才能发生煤柱破坏。由于煤柱尺寸确 实发生了变化， 导致煤柱强度发生变化。表 1 显示 了由 ARMPS 估计的各柱的安全系数 （SF ） 及爆破后 的煤柱强度， 省略一部分数据。 7m7m 计算开采煤柱和两个计划的回采煤柱 尺寸的 SF两个削减为（7m5m ） 和两个削减为 （5m5m ） 的回采煤柱。对于这些估计， 使用较低的 煤强度 5MPa 与原假设 6.5MPa， 见表 2。 表 1各煤柱回采后 SF 值 表 2不同煤柱尺寸、 不同煤柱强度的安全系数 3沉降模拟 根据研究人员所描述的经验方法， 顶板与底板 完全汇合的情况下， 地表最大下沉量为顶板下降高 度的 80[1]。然而， 煤柱限制了顶板的运动， 降低了 顶板的总沉降量。从图 3 可以看出， 顶板最大沉降 点约为 40cm， 是原始柱高 1.3m 的 30.7， 根据经验 方法预测地表最大沉降是 32cm， 比实际地表测量值 19.5cm 大 12.5cm。 3.1数值模拟 为了建立一个数值模型来模拟面板上方的完 整运动， 考虑了所有覆岩层和煤层。图 1 和图 2 显 示了建模柱子的几何形状。 数值模型的目的是模拟面板沉降区域上方的 煤柱挤压和岩石运动。 Plaxis3D 是用来模拟沉降， 使 用真实的开采和残余柱子的形状如图 2 所示。模拟 挤压煤柱的材料特性减少到模拟爆破效果（见表 3 和图 2） ， 材料属性定义了基于钻孔地质特征描述和 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 27.175.211.00100.005.2111.1312.581.13 22.644.761.00100.004.7613.3611.760.88 20.764.561.00100.004.5614.5711.400.78 20.754.561.00100.004.5614.5811.400.78 27.865.281.00100.005.2810.8612.701.17 16.344.321.00100.004.3216.1910.980.68 21.34.621.00100.004.6214.1811.520.81 33.434.621.00100.004.6214.2011.510.81 23.27均值0.97 4.881标准差0.288 33.43最大值1.65 16.34最小值0.57 实际柱 面积 S （m2） 等效 宽度 We （m ） 煤柱高 h （m ） 缝隙深 度 H （m ） 宽高比 垂直压 σν （MPa） ARMPS 煤柱压 σp （MPa） SF 煤柱尺寸 m煤柱强度应用SF 776.5开采2.04 756.5回采1.14 556.5回采0.82 755回采0.88 555回采0.65 120 ChaoXing （上接第 118 页 ） 参考文献 [1] 中国工程院项目组.中国能源中长期发展战略研究[M].煤 炭洁净煤节能战略卷.北京 科学出版社,2011228- 256. 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