房柱式残煤二次开采煤柱稳定性研究_孟学超.pdf

煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 0引言 房柱式开采作为一种常见的采煤方法， 由于其开 采工艺相对简单，故在中小型煤矿应用较为广泛， 但 同时也带来的却是大量煤炭资源的浪费。 为了提高煤 炭资源的回收利用率，需要对护巷煤柱进行二次开 采。 本文主要针对平舒煤矿房柱式开采煤层的二次开 采进行研究，通过判断旧采煤区煤柱群的稳定性， 作 为复合残采区煤柱群稳定性的判定依据。 利用有限差分的方法对旧采煤区煤柱群的稳定 性进行分析研究， 这将为复合残采区煤柱群稳定性的 判定提供强有力的数据支撑。 大大节约了实验成本和 时间[1-2]。 1煤柱稳定性有限元分析 有限差分软件 FLAC 是一种采用混合 - 离散分 区技术， 同时使用拉格朗日显示解方案对岩土结构受 力和塑性流动进行非线性分析的软件。 1.1材料特性的确定和网格划分 残采层的煤层高度为 5.8m，沿底板开采高度为 4.6m。其中， 残采空区采用采 6m， 留 7m的采煤方法， 两巷外侧预留 30～60m的护巷煤柱。 当对上述范围的 中间 30m 煤柱进行开采时， 采用采 6 m， 留 6 m 的采 煤方法。 可开采煤层的地质分布整体较为稳定 其底板标 高为 1030～1060m， 煤层厚度基本保持在 5.87m左右。 该处煤层含一层夹矸， 该层夹矸的主要成分由泥岩组 成， 厚度基本在 0.55～0.77m范围分布[3]。 由于残采区的地质构造较为特殊， 其岩体种类呈 多样性， 这样对有限元分析带来较大的困难， 需要根 据残采区的地质结构的勘测数据对岩体进行合理的 归类， 提高有限元分析的效率。 因此， 对矿区的岩体材 料特性简化为见表 1。 表 1材料力学参数 图 1有限元网格划分 为了提高计算速度， 本文取实际尺寸的一半对称 进行三维建模， 然后对其进行有限元划分网格， 网格 划分如图 1 所示，本次共划分 420000 个单元和 房柱式残煤二次开采煤柱稳定性研究 孟 学 超 （阳泉煤业集团沙钢矿业投资有限公司 ，山西 临汾 043500 ） 摘要 利用有限差分软件对平舒煤矿煤层的现有开采状态进行研究，分析初次开采过程中围岩及 原有护巷大煤柱的应力和位移的分布规律， 以此判断后续开采中煤柱群的稳定程度， 所做工作为今后 类似的煤柱稳定性研究提供借鉴。 关键词 煤柱 ； 稳定性 ； 有限差分 ； 应力和位移 中图分类号 TD823文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0078-03 Research of the Stability of Residual Coal Mining after Room and Pillar Mining MENG Xuechao （Shagang Mining Investment co. LTD Yangquan Coal Mine Group ， Lin fen 043500 ， China ） Abstract Used the finite difference software to study the existing mining status of a coal seam, analyzed the distribution law of the stress and displacement of the surrounding rock and the existing large pillar of road protection in the initial mining process, In order to deter- mine whether the coal pillar group is stable in the subsequent mining, The work provides reference for similar coal column stability study in the future. Key words Coal pillar ； stability ； finite difference ； stress and displacement 岩体名称泊松比 重度 （kN/m3） 弹性模量 MPa 粘聚力 kPa 内摩擦角 抗拉强度 （MPa ） 煤岩0.311450004000272.6 中粒砂岩0.2423.581007000374 细粒砂岩0.2422.485007000364.5 粉砂岩0.2523.9890036003110 泥岩0.3222.440001600353.5 黄土0.3516.83068201 78 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 506337 个节点。 1.2有限元边界条件设置和载荷施加 在进行煤炭开采时，岩体本身除受到工程影响 的作用力外， 其自身还要受到地应力的作用。 地应力 作用主要包括两个方面，岩体自身的自重和地质构 造过程中岩体受到的构造应力。其中自重应力主要 是由岩石受到的岩层的比重、泊松比和埋深等确定 的。 而构造应力由于其成形的时间和空间的特性， 增 加了其计算的难度，通过对该处采煤去地质资料的 查询发现， 构造应力对岩层的影响相对较小， 因此可 以忽略不计。 1.3有限元结果分析 煤矿房柱式开采过程中岩体受力状态是否稳定， 主要由围岩和煤柱的应力场、 位移场和塑性流动区等 决定[4-5]。 本文主要对煤层旧采区房柱式开采进行数值分 析。由于旧采区采场开采已经过较长时间， 其采煤柱 和围岩的应力已趋于稳定状态。 因此对旧煤区开采模 拟采用一体式开挖， 有限元分析结果如下。 图 2最大主应力 σmax图 图 2 表示原采空区煤柱群的应力分布图，从图 中可以看出， 采空区煤柱群的应力分布规律为， 煤柱 中部区域为压应力， 四周区域为拉应力。 应力值以中 部区域最大，四周区域缓慢减小。应力最大值为 5.8MPa。根据煤柱群的应力分布状态以及应力值的 大小分布，可以看出煤柱群的四周极容易出现拉伸 破坏。 图 3竖向应力图 图 4竖向位移图 图 3、 图 4 表示原采空区煤柱群的竖向应力和位 移， 从图中可以看出， 采空区的中部煤柱受到的竖直 应力最大且其竖直位移也最大。 由于煤柱中部主要受 到上覆岩层的压应力， 因此其主要竖直应力也表现为 压应力。煤柱的周围边角区域受到在应力较小， 由于 采场地质条件的限制， 导致该区域远端一侧出现较小 的正向位移。 通过对采空区煤柱的最大主应力， 竖向应力和竖 向位移的分析可以看出采场区中部煤柱群受到应力 值较大且位移破坏较为严重， 因此该区域是影响整个 采场稳定性的关键部位。 为了更加准确的监测到影响开采稳定性的区域， 对采空区设置了多条监测路线， 主要布置在煤柱围岩 活动受到应力较为集中且变形较大的地方。 监测线路 平行于两巷，离底板高度为 2.3m，长度范围在 30- 370m之间。通过对有限元数据的分析， 得出最合 理监测路径的分析结果如下图所示 图 5沉降曲线 从图 5 可以看出残煤开采后中部煤柱的应力场 较为集中， 其最大值为 20.8MPa， 比四周煤柱的应力 值大 55.7；残煤开采后导致采煤场煤柱出现沉降， 沉降位移分布呈四周高， 中间低的趋势， 其中中部煤 柱群的下沉量为四周下沉量的 2.2 倍。 2结语 （下转第 82 页 ） 79 ChaoXing （上接第 79 页 ） 利用有限差分软件 FLAC 对采空区岩体和煤柱 受到煤炭开采影响的应力和位移进行有限元分析得 知 ①原采空区煤柱群应力分布规律为， 煤柱中部区 域为压应力， 四周区域为拉应力。应力值以中部区域 最大， 四周区域缓慢减小。根据煤柱群的应力分布状 态以及应力值的大小分布， 可以看出煤柱群的四周极 容易出现拉伸破坏； ②竖向应力和位移为煤柱破坏的 关键因素， 通过合理的监测路径的布置， 为后续采煤 煤柱群应力场的稳定性分析提供帮助。 参考文献 [1] 翟新献, 邵强, 王克杰等. 复采残采煤层小煤矿开采技术 研究[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14 （04） 51- 54. [2] 石伟, 徐信增. 煤矿区段护巷煤柱合理尺寸研究[J]. 煤炭 技术, 2010, 29 （12） 67- 69. [3] 张强, 黄艳利. 合理窄煤柱护巷采动侧向应力分布规律 [J]. 煤炭安全, 2011, 42 （8） 175- 178. [4] 安百富, 张吉雄, 李猛等. 充填回收房式煤柱采场煤柱稳 定性分析 [J]. 采矿与安全工程学报 , 2016, 33（02） 238- 243. [5] 王方田, 屠世浩, 李召鑫等. 埋煤层房式开采遗留煤柱突 变失稳机理研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 29 （6） 770- 775. 作者简介 孟学超 （1987-） ， 男， 山西省应县人， 采煤助理工程师， 2011 年毕业于山西煤炭职工联合大学， 煤炭开采技术专业， 从事煤矿安全管理工作。 （收稿日期 2018- 10- 17） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 表 31216 工作面瓦斯涌出量预测结果 从表 3 可以看出， 1216 工作面相对瓦斯涌出量 为 1.97m3/t， 绝对瓦斯涌出量为 10.84m3/min。 由以上计算情况分析，得出 1216 工作面日产量 为 7759.2t 时的风排瓦斯情况见表 4。 表 41216 工作面风排瓦斯情况 6结语 通过对阜生矿 1216 工作面风巷裂隙带、回风上 隅角积聚瓦斯进行钻孔采中抽放和埋管抽采， 有效控 制了瓦斯浓度，根据 1215 风巷裂隙带及回风上隅角 埋管抽采实测数据显示， 在该工艺实施后， 1216 裂隙 带钻孔在回采期间纯瓦斯抽采量为 2m3/min，上隅角 埋管抽采瓦斯纯量为 2.5m3/min，积聚瓦斯得到了有 效释放， 保证了工作面安全生产， 为工作面瓦斯治理 提供了一定实践经验。 参考文献 [1] 刘军军.西曲矿 18401 工作面瓦斯抽采技术研究[J].山东 煤炭科技,2018 （10） 109- 111. [2] 张育恒.综采工作面上隅角瓦斯治理的探索与研究[J].煤, 2008,17 （12） 19- 21. [3] 陈秀田.俯采工作面上隅角瓦斯治理技术优化研究[J].煤 炭技术,2018,37 （11） 203- 206. [4] 马浩浩. 阜生矿瓦斯综合防治措施 [J]. 煤,2017,26 （11） 35- 36. [5] 刘文忠,张自雷.高位裂隙带钻孔瓦斯抽采技术在水峪矿 的应用与研究[J].煤炭与化工,2018,41 （07） 104- 107. 作者简介 邓会东 （1988.04-） ， 男， 河南省栾川县人，2010 年 6 月 毕业于华北科技学院， 安全工程专业， 本科， 助理工程师， 通 风部副部长， 从事矿井防突工作。 （收稿日期 2019- 3- 19） 工作面 名称 日产量 （t ） 瓦斯涌出量预测值 开采层邻近层合计 m3/tm3/minm3/tm3/minm3/tm3/min 12167759.21.679.190.31.651.9710.84 工作面 名称 日产量 （t ） 工作面 绝对瓦斯涌 出量 （m3/min ） 裂隙带抽 采瓦斯量 （m3/min ） 回风隅角埋 管抽采瓦斯 量 （m3/min ） 风排 瓦斯量 （m3/min ） 12167759.210.8422.56.34 82 ChaoXing