超长 孤岛 综放面大煤柱护巷的数值模拟.pdf

第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．4 2 0 0 6 年7 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJ u l ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 一0 4 7 3 0 5 超长“孤岛’’综放面大煤柱护巷的数值模拟 刘长友1 ，刘奎1 ，郭永峰2 ，吴锋锋1 ，崔道品1 ，王振1 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司，北京 1 0 0 0 1 1 摘要基于兖矿集团兴隆庄4 3 2 4 超长“孤岛”综放工作面开采条件，采用离散元数值计算程序 U D E C 3 ．0 ，模拟研究了不同宽度煤柱护巷条件下巷道围岩的应力分布和变形特征，分析了不同 宽度煤柱的承栽状况和应力峰值区的位置．研究表明，采用2 0m 大煤柱维护巷道，可以改善巷 道围岩应力环境；煤柱的承栽能力适应超长“孤岛”综放工作面顶板的活动规律；围岩变形量小； 能够保障巷道的整体稳定性和有效断面．通过现场实测，讨论了大煤柱维护巷道的矿压显现规律 和对巷道的良好维护效果． 关键词超长“孤岛”；综放面；煤柱稳定性；大煤柱护巷；应力分布 中图分类号T D3 2 2 ．4文献标识码A N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nR W i d eC o a lP i l l a ri nS u p e r W i d e o a d w a yP r o t e c t e db y a n dI s o l a t e dI s l a n dF u l l y M e c h a n i z e dT o p C o a lC a v i n gF a c e L I UC h a n g y o u l ，L I UK u i l ，G U OY o n g f e n 9 2 ，W UF e n g - f e n 9 1 ，C U ID a o - p i n l ，W A N GZ h e n l 1 ．S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u 。J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a , 2 ．B e i j i n gH u a y uE n g i n e e r i n gC o m p a n yL i m i t e d ， S i n o C o a lI n t e r n a t i o n a lE n g i n e e r i n gG r o u p ，B e i j i n g1 0 0 0 1 1 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ec o n d i t i o n so ft h es u p e r w i d ea n di s o l a t e di s l a n df u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c eN o ．4 3 2 4i nX i n g l o n g z h u a n gc o a lm i n eo fY a n z h o um i n i n gg r o u p ，t h ef e a t u r e s o ft h es u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o nw i t ht h ed i f f e r e n tc o a lp i l l a rw i d t h p r o t e c t i n gr o a d w a yw e r es t u d i e du s i n gt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o np r o c e d u r eU D E C 3 ．0 ．T h e b e a r i n gs t a t u sa n dt h ep o s i t i o no ft h es t r e s sp e a kv a l u er a n g ew i t hd i f f e r e n tc o a lp i l l a rw i d t h w e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta d o p t i n gw i d ec o a lp i l l a rw i t hw i d t ho f2 0mt op r o t e c t r o a d w a yc a ni m p r o v et h es t r e s se n v i r o n m e n to fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ；t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e2 0mw i d ec o a lp i l l a ri sa d a p t a b l et ot h er o o fm o v e m e n tl a wo fs u p e r - w i d ea n di s o l a t - e di s l a n df u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ；t h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o ni ss m a l l ；a n d t h ei n t e g r a ls t a b i l i t ya n de f f e c t i v ec r o s s - s e c t i o no ft h er o a d w a yc a nb es e c u r e d ．B ym e a n so ft h e s i t em e a s u r e m e n t ，t h eg r o u n dp r e s s u r eb e h a v i o rl a w s w i t h2 0mw i d ec o a lp i l l a rw e r ed i s c u s s e d ，a n dt h eg o o de f f e c t i v e n e s sw a so b t a i n e d ． 收稿日期2 0 0 5 0 7 1 2 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 4 0 6 8 ；高等学校博士学科点专顶基金项目 2 0 0 5 0 2 9 0 5 0 3 作者简介刘长友 1 9 6 5 一 ，男，山东省东营市人，教授，博士生导师，工学博士，从事矿山压力与岩层控制、高产高效开采与监测方面的 研究． E - m a i l c y l i u c u m t ．e d u ．c n T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 3 4 4 7 万方数据 4 7 4中国矿业大学学报第3 5 卷 K e yw o r d s s u p e r - w i d ea n di s o l a t e di s l a n d ；f u l l y m e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n gf a c e ；c o a lp i l l a r s t a b i l i t y ；w i d ec o a lp i l l a rp r o t e c t i n gt h er o a d w a y ；s t r e s sd i s t r i b u t i o n 在煤炭开采过程中，由于受地质条件、采掘接 替等因素的影响，“孤岛”工作面的形成在所难免． 兴隆庄煤矿4 3 2 4 工作面是目前我国综放开采条件 下，综合了“超长”、“孤岛”2 个特点的综放工作 面n 。3 ] ．根据现场实测，工作面围岩应力大、矿压显 现明显．为了保证该条件下工作面的安全开采，尤 其是确保下顺槽巷道围岩的稳定，避免因超长孤岛 开采引起的围岩严重失稳而给工作面安全高效生 产带来的影响，下顺槽采用2 0m 大煤柱维护巷 道．本文基于该工作面开采条件，采用离散元数值 计算程序U D E C 3 ．0 ，模拟分析了该开采条件不同 宽度护巷煤柱条件下，巷道围岩的应力分布和矿压 显现特征；分析了该开采条件下大煤柱维护巷道的 合理性，为类似条件开采工作面沿空巷道的维护提 供了依据． 1 工作面概况 兖矿兴隆庄煤矿4 3 2 4 综放面位于四采区下 部，其上方为4 3 2 2 综放工作面，下方为4 3 2 6 综放 工作面，上、下两个综放面都已回采完毕，为一孤岛 综放面，工作面煤层厚度7 ．8 5 ～9 ．3 5m ，加权平均 厚度为8 ．4 5m ，为特厚煤层，工作面长度2 7 8m ，推 进长度为15 8 9m ．综放面下顺槽沿煤层底板掘 进，护巷煤柱宽度为2 0m ． 4 3 2 4 综放面直接顶为2 ．4m 厚的粉砂岩和 6 ．2m 厚的粉细砂岩互层，老顶为中砂岩和粉砂 岩，工作面煤层顶底板地质特征表如表1 所示． ． 衰1煤层顶底板赋存特征 T a b l e1 T h ef e a t u r eo fr o o fa n df l o o ro ft h ec o a l 骶舢 篓智砂岩 6 ．2 灰一深灰色，具波状斜层理 直接顶互层 ““““4 。’8 “⋯””5 8 粉砂岩 z ．a 鋈喜％蠡萎萼状层理’含植物 2U D E C 简介 U D E C u n i v e r s a ld i s t i n c te l e m e n tc o d e 是一 种基于非连续体模拟离散单元法的数值计算程序． 它主要模拟静载或动载条件下非连续介质 如节理 块体 的力学行为特征，通过离散块体的组合来反 映非连续介质，节理被当作块体间的边界条件来处 理，允许块体沿节理面运动及回转．单个块体可以 表现为刚体也可以表现为可变形体．U D E C 3 ．0 提 供了适合岩土的7 种材料本构模型和5 种节理本 构模型，能够较好地适应不同岩性和不同开挖条件 下地岩层运动的需要，是目前模拟破碎岩体变形过 程较为理想的数值模拟软件．U D E C 离散单元法 数值模拟工具主要应用于地下岩体采动过程中岩 体节理、断层、沉积面等对岩体逐步破坏的影响评 价，能够很理想地研究分析与不连续特征相关的岩 体破坏方式．用U D E C 能很好地模拟煤层开挖后 顶板冒落、垮落、离层的过程，可以较准确地分析围 岩性质、采动影响、支护特征等因素对巷道稳定性 的影响． 3 数值模型的建立 3 ．1数值模拟模型 根据兴隆庄矿4 3 2 4 综放工作面的生产地质条 件，模拟回采期间2 0m 大煤柱和1 0m ，5m3 种不 同煤柱宽度下的沿空巷道围岩应力特征和围岩变 形特征，以分析合理的煤柱尺寸范围．模拟煤层厚 度为8 ．5m ，直接顶为8 ．6m 厚的粉砂岩，老顶为 1 1 ．9m 厚的中砂岩，上覆岩层厚度为1 5m ，直接 底为0 ．9m 厚的泥岩，老底为6 ．5m 厚的粉砂岩． 巷道顶煤及两帮煤体5m 范围内划分0 ．5m 0 ．5m 宽高 的块体，直接顶划分3m 1 1 ．3m 的块体，老顶划分1 2m 5 ．8 5m 的块体，直接底 划分1m 0 ．9m 的块体，老底划分1 6m 6 ．5m 的块体．整个模型尺寸为3 0 0m 5 1 ．4m 宽 高 ，上边界载荷按埋深4 0 0m 计算，模型底边界 垂直方向固定，左右边界水平方向固定，数值计算 模型如图1 所示． 模拟巷道断面形状为梯形，巷道高3 ．5m ，顶 宽4m ，底宽5m ，基本支护参数见图2 ． 万方数据 第4 期 刘长友等超长“孤岛”综放面大煤柱护巷的数值模拟4 7 5 图1数值模拟模型 F i g ．1 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l 1 ．煤层；2 ．直接顶；3 ．老顶；4 ．老底；5 ．直接底；6 ．本区段工作面； 7 ．沿空巷道；8 ．煤柱；9 ．下区段工作面；1 0 ．上覆岩层 图2锚杆布置 F i g ．2 T h el a y o u tc h a r to fa n c h o r 顶板锚杆6 根，尺寸为声2 2 24 5 0m m ，T 型 螺帽型单向左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，两帮采用 ≯2 0 18 0 0m m 左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆、金属 网进行联合支护．同时，顶板中采用2 条8 ．0m 长 的锚索加强支护． 3 ．2 围岩力学参数 材料本构模型采用摩尔一库伦模型[ 4 { ] ，数值模 拟中各岩层、煤层的力学参数见表2 ，3 ． 表2 块体力学参数 T a b l e 2T h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fb l o c k 。。 体积模变切模量密度／摩擦角／黏结力／抗拉强 ⋯ 量／G P a／G P a k g m 一3 。 M P a度／M P a 表3接触面力学参数 T a b l e 3 T h eM e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fi n t e r f a c e 。。 法向刚切向刚黏结力／摩擦角／抗拉强 石“ 度／G P a度／G P a M P a 。 度／M P a 3 ．3 数值模拟方案 数值模拟主要研究大煤柱护巷和2 种小煤柱 护巷下，沿空巷道的围岩变形规律及应力分布特 征，设计了2 0 ，1 0 ，5m3 种不同煤柱宽度维护巷 道．模拟过程为形成下区段回采工作面直至覆岩 垮落稳定；开挖巷道；本区段工作面开采，形成采动 应力场． 4 煤柱宽度对巷道稳定性的影响 煤柱宽度是综放沿空巷道布置系统中最重要 的方面，煤柱宽度对巷道围岩稳定性的影响体现在 两方面一是煤柱宽度决定了沿空巷道的布置位 置，从而决定了沿空巷道的整体应力状态；二是煤 柱宽度影响着护巷煤柱的稳定性，进而直接影响着 巷道的整体稳定性[ 7 罐] ．因此，从巷道围岩控制的角 度出发，合理的煤柱宽度应符合以下原则1 使巷 道处于应力降低区；2 保证护巷煤柱的稳定性；3 有利于沿空巷道的整体稳定性[ 7 ] ． 4 ．1 不同煤柱宽度时巷道围岩的应方分布[ 9 捌 4 3 2 4 综放面下顺槽断面较大，而且巷道内布 置有转载机和破碎机等大型机电设备，考虑到这些 情况，数值模拟中模拟2 0 ，1 0 ，5m3 种不同煤柱宽 度的应力场，分析煤柱宽度对围岩稳定性的影响． 由图3 可知，在2 0m 煤柱护巷时，距巷道下帮 6 ～1 5m 范围内为煤柱弹性承载区，应力高于原岩 应力，其峰值范围在6 ～1 1m ；在1 0m 煤柱护巷 时，其弹性承载区范围为5 ～7m ，应力峰值位于距 巷道下帮6m 处，煤柱基本处于塑性状态；而在5 m 煤柱护巷时，煤柱承载能力弱，整体处于塑性状 态，应力低． 皇 蒌 R 倒 024681 01 21 41 61 82 0 距下帮表面距离／m 图3不同宽度煤柱垂直应力 F i g ．3 V e r t i c a ls t r e s s e so fc o a lp i l l a rw i t hd i f f e r e n tw i d t h 由以上分析表明，随着煤柱宽度的增加，煤柱 内煤体的垂直应力逐步增加，说明其承载能力增 强，稳定性提高，对巷道的维护有利． 图4 是煤柱宽度为2 0 ，1 0 和5m 时，巷道围岩 内垂直应力的分布，比较其围岩垂直应力分布特征 可知在巷道围岩一定深度范围内，不同尺寸煤柱 护巷条件下，其应力大小不同．5m 煤柱护巷时的 垂直应力最小，1 0m 煤柱护巷时最大，2 0m 煤柱 护巷时，垂直应力较小．表明小煤柱和2 0m 大煤 柱改善了巷道的围岩应力状况，而l Om 煤柱护 巷，不利于改善围岩应力状况． 0 0 O 0 0 筮 乳 孔 鹊 0 0 O O 0 7 2 9 2 吼 ● L 仉 L 2 8 1 4 1 ． ． ● 顶 底 层接顶接底煤直老直老 万方数据 中国矿业大学学报第3 5 卷 图4不同煤柱宽度回采期间围岩垂直应力分布 F i g ．4 V e r t i c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o c kd u r i n gt h es t o p p i n g 4 ．2 不同煤柱宽度时巷道围岩的变形 图5 是2 0 ，1 0 和5m 宽度煤柱时，沿空巷道围 岩的变形情况． i 谪 嫂 涣 煤柱宽度／m 图5煤柱宽度与围岩变形的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i d t ho fc o a lp i l l a r a n ds u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n 由图5 可知，煤柱宽度不同，将引起围岩变形 的不同特征．1 0m 煤柱护巷时，巷道围岩顶底板移 近量为最大，其值为9 8 4m m ；2 0m 煤柱护巷时，巷 道顶底板移近量为最小，其值为7 8 8m m ，主要以顶 板下沉为主．随着煤柱宽度的增加，巷道两帮的移 近量减小，5m 煤柱护巷时两帮移近量为最大，其 值为11 4 6m m ，其中煤柱侧 下帮 的移近量要远 大于煤壁侧 上帮 ；2 0m 煤柱护巷时两帮移近量 为最小，其值为5 4 7m m ，煤柱侧和煤壁侧的移近量 相差不大．底鼓量也随着护巷煤柱宽度增加而减 小，5m 煤柱护巷时最大，其值为4 6 7m m ；2 0m 煤 柱护巷时最小，其值为2 6 0m m ． 由上述数值计算结果分析可知，在超长“孤岛” 开采条件下，2 0m 煤柱护巷有利于改善巷道围岩 应力状况，控制巷道围岩的变形． 5 现场实测分析 为了掌握4 3 2 4 超长“孤岛”综放面2 0m 大煤 柱护巷条件下矿压显现规律和围岩控制效果，在下 顺槽布设了7 组围岩变形观测站，分别距工作面 6 0 ，7 0 ，1 0 0 ，1 1 0 ，1 3 0 ，1 4 0 ，1 5 0m ．用测枪测量顶底 板移近量、顶板下沉量、底鼓量、两帮移近量、实体 煤侧帮移近量、沿空侧帮移近量．图6 和7 分别为 下顺槽在回采期间的观测结果． 由观测结果分析可知 1 顶底板累计移近量为8 2 3m m ，移近速度平 均为2 7m m ／d ；累计顶板下沉量为5 6 9m m ，移近 速度平均为1 7m m ／d ；累计底鼓量为2 5 4m m ，底 鼓速度平均为1 0m m ／d ． 2 两帮累计移近量为5 3 4m m ，两帮移近速度 平均为1 7m m ／d ；累计上帮移近量2 7 7m m ，移近 速度平均9m m ／d ；累计下帮移近量2 5 7m m ，移近 速度平均8m m ／d ． 由现场实测数据分析可以看出，兴隆庄4 3 2 4 超长“孤岛”综放面，在2 0m 大煤柱护巷条件下，巷 道矿压显现不很明显，保障了工作面回采期间的正 常生产技术要求． 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 图6下巷回采期间围岩移近量曲线 F i g ．6C o n v e r g e n c ec u r v e so fh a u l a g er o a d w a y s s u r r o u n d i n gr o c kd u r i n gm i n i n g 一6 0 15 0 基4 0 越3 0 螯2 0 渣l O 0 3 45 58 11 0 81 1 5 距煤壁距离，m 图7下巷回采期间围岩移近速度曲线 F i g ．7V e l o c i t yc u r v e so fh a u l a g er o a d w a y s s u r r o u n d i n gr o c kd u r i n gm i n i n g 6 结论 超长“孤岛”综放开采，为回采巷道的维护带来 了难度．采用小煤柱维护巷道将造成巷道围岩的大 量变形，增加维护工程量，不利于安全高效开采．因 此，适当增大煤柱尺寸，提高其承载能力，有利于巷 道的维护．在兴隆庄煤矿4 3 2 4 工作面开采条件下， 采用2 0m 煤柱比1 0m 煤柱能更好地改善巷道围 岩的应力场条件，减小围岩变形量．现场实测结果 与数值计算分析是吻合的． gm／删域稔 万方数据 第4 期刘长友等超长“孤岛”综放面大煤柱护巷的数值模拟 4 7 7 参考文献 曹胜根，张东升，拙卫新。超长综放工作面开采关键 技术[ J ] ．矿山压力与顶板管理，2 0 0 3 ，2 0 4 6 9 7 1 ． C A OS h e n g g 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