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浅埋厚煤层分层开采合理隔离煤柱尺寸模拟研究 第六图书馆 应用相似材料模拟,配合数值计算分析,通过对活鸡兔煤矿厚煤层分层开采区段隔离煤柱的稳定性研究,确定了合理的煤柱尺寸。研究 表明,采用相似材料模拟与数值计算相结合的方法,仍是进行复杂矿山工程定性和定量研究的有效手段。应用相似材料模拟,配合数值 计算分析,通过对活鸡兔煤矿厚煤层分层开采区段隔离煤柱的稳定性研究,确定了合理的煤柱尺寸。研究表明,采用相似材料模拟与数 值计算相结合的方法,仍是进行复杂矿山工程定性和定量研究的有效手段。相似模拟 数值计算 稳定性 厚煤层 分层开采 煤柱尺寸西安科技学院学报黄庆享 杨宗义 等[1]西安科技学院,陕西西安710054 [2]黄陵矿业有限责任公司,陕西黄陵 7273002001第六图书馆 第 J卷第 3期 2 0 1 1年 9月 西安科技学院学报 J OURNAL OD “ XI ’ AN UNI VERS I TY OF S CI ENCE ＆ TEC HNOI K X Y 、l 2】N r 3 ．％e p t 20 f l 文章编 号 1 6 7 1 1 9 1 2 2 0 [ 】 1 0 3 0 1 9 30 4 浅埋厚煤层分层开 采合理 隔离煤柱 尺寸模拟研究 黄庆 享 】西安科技学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 陈杰 ， 杨 宗义 2 黄陵矿业有 限责任公 司 ． 陕 西 黄陵7 2 7 3 0 0 摘要应用相似材料模拟 ， 配合数值计算分析， 通过对活鸡免煤矿厚煤层分层 开采区段隔 离煤 拄的稳定性研 究， 确定了合理的煤柱尺寸。研 究袁明 ， 采 用相似材料模拟与数值计算相结合的方 法， 仍是进行复杂矿山工程定性和定量研究的有效手段。 关键词 相似模拟 ； 数值计算 ；煤柱稳定性 中国分 类号 T D 3 1 5 3 文献 标识码 A 0引 言 神府东胜煤炭有限责任公司活鸡兔煤矿是设计年产量达 8 0 0万 t 的现代化特大型矿井 ， 1 煤层复合 区为即将开采的首采盘区 ， 煤层倾角属于近水平 ， 埋藏深度 8 4 1 2 “1 左右 】 I 2 煤层顶板基岩岩性一般为砂 岩． 厚度为 6 6 tn左右 ， 地表风积沙层厚度为 6 4 ～8 7 r n 。煤系地层相关参数如表 1 所示 煤层厚度近 1 0 n ， 拟采 下行分层开采方法 ， 上分层采高 3 5 1 2 “1 ， 下分层采高 4 5 m， 中间留 2 t n煤皮 ， 原设 计 r分层区段 煤 柱宽度 为 2 5 t n， 下 分层 区段煤 柱宽 度 为 1 3 t n ， 上 、 下顺槽 边对边 仅 外错 1 1 2 “1 ， 如图 1所 示【 1 厚煤层分层开采工作面隔离煤柱的稳定性 ， 关系到回采巷道维护和防止工作面漏风发火 ， 对提高资源 l 口 ] 收率和实现安全高效生产具有重要意义 目前， 在岩层控制研究手段上 ， 存在大力发展数值计算而忽视物理相似模拟研究的趋 势 3。西安科 技学院岩层控制重点实验室一直重视物理模拟的工程应用， 取得 了大量的成功经验 ， 本文简要介绍近期完 成的实验 ， 期望能够引起对相似模拟研究的重视。 表 1 1 煤层煤系地 层综合 参数表 Ta b ． 1 s y n e t k p a r a me t e r s o f 1 c o a l I n e a s u r e s t r a t a 收稿日期2 0 0 { } 一l i～2 8 基金项 目陕西省教育厅 自热科学 专顶科研计划I 亘目资助 项 目编号 0 0 J K 2 1 9 作者简 介萤庆享 1 9 6 6～ ， 男 ， 新疆沙湾 ． 副教授， 博士． 主要从事采矿工秽 及岩层控制方 面的教学 与研究工作 维普资讯 第六图书馆 西安科技学院学报 1 I ] 1 年 2 5 m ＼ j 1 3 ～ n L ／／ 誊 囊 l 曩 曩 蓦嚣蠢 露矗 ％ { 一∞ 6m ， l 8 m 一6 m～ 图 1 上 、 下分层顺槽 外错式布置 F i g l T h e o r i n a l d e s i g n o f u p a n d d m s l i c e r o a d wa y l 模拟 实验设计 车次研究以相似材料模拟实验为主 ， 配合计算机数值计算进行分析 ， 实验设计如下 l j 相似材料模拟实验在 3 m模型架上进行 ， 分别按照设计煤柱尺寸和优化煤柱尺寸开展实验， 再进 行煤柱破坏性实验 ， 由此分析燥柱 的稳定性 ， 确定合理的煤柱尺寸。 为 r 提高模拟的准确性 ， 采用模拟线 比 l 1 0 0的较大比例， 由 l 煤层底板 3 0 IT [ 模拟到地表。 j ]模拟材料采用河沙、 石英砂 、 石膏、 大 白粉配制， 根据岩层强度参数确定相似配 比。煤层采用细煤 粉、 石英砂、 太白粉 、 石膏配制。分层材料采用云母粉 ， 人工制造裂 隙。工作面支护采用模拟支架 、 模型开 挖按照几何相似比和时间相似比进行。巷道变形采用位移放大装置 ， 用百分表显示读数。 4 数值计算模型主要分析隔离煤柱的力学机理 ， 计算软件采用美 国 AL K R 9 3非线性有限元程序 原设计煤柱的稳定性 1 上 分层 开采 首先开采上分层 ， 使煤柱处于左侧采空状态 ， 如图2所示。岩层破断角为 5 5 。 ， 煤柱靠采空区侧 左侧 堞帮水平位移 1 3 ml T l ， 煤柱右侧煤帮水平位移 1 1 F il m。采空区侧煤柱下沉量 比较大 ， 为 2 1 F il m， 另一侧为 I 6 I ] J [ F I 一煤柱垂直应力分布如图 3所示， 采空侧煤 柱集 中应力 为 4 6 MP a ， 另一侧 为 1 1 MP a ， 大部分应 力分布为 3 3 MP a ， 为原岩应力 1 7 5 MP a 的 1 ． 9倍 相似材料模型上煤柱稳定 ， 计算模 型中煤柱处于 弹 性状 态 习 上分 层区段 媒柱 左侧采空 F 2 L e h p i L L a r o f u p s 【 L c e i s mi n e d 图 3 上分层左侧采夺 ， 垂直应力分布 Fi g 3 Di s t r i b u t i o n v e r t i c a [ mr e [ 】 f u p [ i e e p i l l a r 上分层煤柱两侧采空后的顶板垮落状况与一侧采空类似 ， 岩层破断角为 5 0 。 ～5 5 。 煤 拄变形呈现对 称状 ． 煤柱侧帮水平位移 1 9 F il m， 煤柱下沉量为 2 4 F il m。煤拄上的垂直压力际靠边缘处 比较大外 ． 煤柱中 维普资讯 第六图书馆 第 3期 黄庆享等 戈埋厚 煤层 分层 开采合 理隔 离煤柱足寸模{ 牡研究 1 9 5 部大部分应力为 3 6 MI 3 a左右， 为原岩应力 的 2 1 倍。相似模型上煤柱 比较稳定 ， 数值计算 中煤柱没有 出现塑性 区 。 2 2下分 层一 侧 采空 下分层 左侧 采 空 后 ， 该 侧 顶板 破 断 裂 隙 明 显 加大 ， 岩 层破断角仍然为 5 5 。 。煤柱变形 的不对称性不 明显， 侧煤 柱项部下沉量为 3 5 mm， 右侧煤柱 顶部下沉量为 3 3 mm， F分层两顺 槽 顶底 移 近量 均为 2 2 mm， 两帮 移 近量 l 6 f i l m， 煤柱垂直集中应力为 5 ． 5 ～7 4 MP a 。煤柱基本处于 弹性状态 ， 但是 由于上、 下 分层顺槽 仅外错 1 m， 在右侧 h、 下顺槽间出现勾通 的近塑性带 ， 将造成下分层右侧顺 槽 维护 困难 。 下分层两侧采空后的情形 如图 4所示 ， 岩层垮落呈对 称倒梯形 ， 垮落角为 5 5 。 。上分层煤柱有部 分垮落 ， 煤柱上 图 4 下丹层 区段 煤柱两 侧采空 F i g 4 Th e b o t h s i d e o f d o wn s l i c e p i l l a r i s mi n e d 宽 1 6m， 下宽 1 3m 煤柱顶部最大下沉量为 3 7mm， 煤柱集 中应力为 6 1 ～9 1 MP a ， 为原岩应力的3 2 ～ 4 8倍煤柱无塑性区， 相似模型中煤柱稳定 图 4 。 3 煤柱破 坏性实验及煤柱参数优化 根据实验分析， 上分层宽 2 5 m， 下分层宽 1 3 m的区段煤柱经历两个分层开采后， 煤柱稳定 煤柱最 大集中应力为 9 1 MP a ， 远小于煤体单 向抗压强度 3 0 MP a ， 煤柱尺寸有富裕 ， 存在减小的可能性。 为 验证煤柱的最小宽度 ， 分别进行 了下分层煤柱宽度为 1 0 1 7 1 1 ， 8 m， 6 1 71 1 的模拟实验 和数值计算分 析数值计算 中煤柱下宽为 1 0 m时， 无塑性区出现， 表明煤柱稳定 煤拄下宽为 8 m 时， 煤柱中有小于 2 m深的塑性区 ， 煤柱尚能维持基本稳定 ； 当煤柱宽度减小为 6 m 时， 煤柱出现贯通塑性区 图 5 ， 袅明煤桂 将崩溃 相似模拟验证了数值计算结果 ， 煤柱 由宽度 1 3 m减小到 1 0 m后 ， 煤柱经历一昼夜无破坏失稳 ； 煤柱减小到 8m后 ， 仍然基本稳定 ； 当煤柱宽度减小到 6m时 ， 煤柱崩裂 图 6 罔 5 煤柱 宽度 6m 时的塑性 区 圉 6 煤柱 宽度 5 煤 拄崩溃 F i g ． 5 Pl a s t i c Z O [ I 。 f 6 m p i l l a r Fig 6 P i l l a r c o t ta p s e s wh e n i t s wi d t h 6 1 煤柱破坏性实验表明， 煤柱宽度 为8m时基本稳定 。考虑工程安全系数 ， 下分层煤柱宽度 可以设计为 1 0 m 实验还发现 ， 上、 下分层顺槽错距太小 仅 1 m ， 顺槽顶板难以维护。为此 ， 建议设计区段隔离煤柱 台理参数为上分层煤柱宽 2 4 m、 下分层煤柱宽 1 2 m， 上 、 下分层顺槽外错 2 m 的方案， 如图 7所示。 4 合理煤柱方案的可靠性实验分析 上分层开采时 ， 顶板破断规律与原方案基本相IN， 煤柱无塑性区。上 分层煤柱两侧采空后 ， 顶板岩层 破断角为5 0 左右 煤柱平均垂直压缩变形量为2 5 m m， 煤柱垂直应力为3 2 ～5 9 MP ， 平均4 5 M ． 煤 柱 无塑性 区 。 嚣 匿■■I_]譬■曩譬■匿 j 维普资讯 第六图书馆 西安科技学院学报 2 0 0 】年 图 7 上 、 下 J 匝 槽 外错式 合理 煤柱方 案 F i g ． 7 Th e a d v is a b l e d s [g n。 f u p a n d d o wn s L i c e r o a d wa y 下分层左侧采空后， 右侧巷道处于最难维护时期 ， 此时右侧顺槽顶底移近量为 2 7 n l n } ， 两帮移近量为 1 7I T ln l 。煤柱压应力主要分布在 5 ～7 ． 7mP a 之间。采取外错 2 m 的参数后， 上 、 下顺槽间外错区的煤 体弹性增强， 煤柱无塑性区出现 。 下分层煤柱两侧采空后． 煤柱的垂直集中应力在 l 1 ． 5 ～1 3 2 MP a 之间 ， 煤柱只在左侧 出现 1 0 m僳 的局部塑性区。相似模拟实验也得 出相同结果 ， 下分层两侧采空后煤柱稳定 ， 验证了方案的可行性 。 5 结束语 1 通过实验研究， 原设计煤柱尺寸略有富裕， 顺槽外错间距太小。 2 根据实验 ， 下分层煤柱宽度确定为 1 0 m， 顺槽外错距离增大为 2 F F I ， 上分层煤拄宽度确定为 4 m一 3 多年的相似模拟研究说明， 相似模型实验是岩石工程研究的有效手段． 也是重要的手段。相似模 拟和数值计算不可偏废， 应 当有机结合 ， 取长补短， 这样效果更好。 参考文献 ．1 黄庆享 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社． 2 0 0 0 2 黄庆享 活鸡兔煤矿首采工作面采前模拟研究报告[ R] ． 西安 西安科技学院岩层控制重点实验室． 1 9 9 9 [ 3 黄庆享， 祈万涛， 杨春林 采场老顶初次破断机理与破断形态分析[ J ]西安矿业学院学报， 1 9 9 9 ， 1 9 3 1 9 3 ～1 9 7 S i mul a t i ng of c o a l pi l l a r s t a bi l i t y i n s h a l l o w s e a l n s l i c e m i ni n g HUANG Qi n g - x i a n g ，C ．HENG J i e ，YANG Z o n g y i Y． 。 “ ofS c ie n c e a n d Te c h * wlo g a , ． ’ 蛐7 1 1XI5 4． C k l , l a；2 Hu an g l i n g , [ i n i n gC ．O r l r a t i o ， ．Hil a u gl i n g 7 2 73 0 0． I 】 Ab s t r a c t B y s i mu l a t i n g mo d e l t e s t a s s i s t e d wi t h f i n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n ，t h e r e a , n a b l e p a r a me t e r s o f c o al p i l l a r i n s h all o w t h i c k s e a m s l i c e mi n i n g a r e s t u d i e d，a n d t h e o r i g i n a l d e s i g n i s a me l i o r a t e d Th r o u g h t h i s r e s e a r c h wo r k，i t a l s o s h o ws t h a t s i mu l a t i n g mo d e l t est a s s i s t e d wi t h n u me r i c a l cal c u l a t i o n i s a n e f f i c i e n t me t h od o f d e a l i n g wi t h c o mp l i c a t e d r o c k e n g i n e e r i n g p r o b l e ms ． K wo r d s s i mu l a t i n g mo d e l t e s t ；n u me r i c a l c a l c u l a t i o n；c o a l p i l l ar s t a b i l i t y 维普资讯 第六图书馆