大倾角特厚煤层区段煤柱合理尺寸研究

任重先

(山煤集团 经坊煤业,山西 长治 046000)

大倾角特厚煤层区段煤柱合理尺寸研究

任重先

(山煤集团 经坊煤业,山西 长治 046000)

以某矿5#大倾角特厚煤层区段煤柱留设为工程背景,基于极限平衡理论和广义米塞斯准则理论计算得到煤层倾角为35°时区段煤柱宽度,得出留设区段煤柱25.6 m左右。运用FLAC3D数值模拟了不同煤柱宽度时巷道围岩应力和塑性区分布特征,模拟结果表明留设区段煤柱宽度在25 m较合理。

大倾角特厚煤层;区段煤柱;极限平衡理论;数值模拟

大倾角煤层一般是指倾角为35°～55°的煤层[1],在我国大倾角和急倾斜煤层大约占煤炭资源总储量的15%～20%[2],而保护煤柱的宽度直接影响到煤矿的安全生产和正常接替[3]。常西坤[4]以极限平衡理论和摩尔库伦准则推导出大倾角煤柱塑性区宽度计算公式。侯凤才[5]考虑到煤层倾角、煤体损伤因素推导出大倾角煤层合理留设煤柱宽度公式。王琳[6]以南山煤矿为工程背景,建立煤柱失稳临界条件力学模型,得到煤柱失稳条件。

1 工程地质概况

某矿5#煤层埋深约400 m左右,煤层平均倾角为35°左右。5#煤层厚度为8.53 m～16.71 m,平均为13.69 m,采用综采放顶煤开采。5#煤顶板自下而上依次为中粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩,底板以泥岩为主。

2 煤柱理论分析

区段煤柱宽度A计算公式为:

A=x1+L+x2.

(1)

式中:x1为区段煤柱实体煤侧塑性区宽度,m;L为煤柱弹性区宽度,m;x2为采空区侧煤柱塑性区宽度,m。运用煤(岩)体的极限平衡理论得到区段煤柱实体煤侧塑性区宽度x1的计算公式为:

.

(2)

式中:M为煤层厚度,取13.69 m;λ为侧压系数,取0.3;φ0为煤层与顶底板交界面处的内摩擦角,取25.3°;c0为煤层与顶底板界面处的黏聚力,取1.8 MPa;k为应力集中系数,取0.3;γ为上覆岩层容重;H为煤层埋深,400 m;α为煤层平均倾角,35°;px为支护阻力,kPa;计算得出x1=8.4 m。采空区侧煤柱塑性区宽度x2可用下式计算:

(3)

计算得到x1=8.0 m。

一般认为煤柱弹性区宽度L也有两部分组成,即靠近下侧塑性区的弹性区L1和靠近上侧塑性区的弹性区L2两部分组成。即:

运用广义米塞斯理论和弹性力学求解主应力及计算弹性区宽度L1、L2时,则煤柱弹性区公式为:

计算得到L=L1+L2=3.7+5.5=9.2 m .

则:A=x1+L+x2=25.6 m,经过理论计算得到某矿大倾角区段煤柱为25.6 m。

3 不同尺寸区段煤柱数值模拟

3.1模型的建立

模拟5#煤层埋深取400 m,推进长度为60 m,上下工作面长度为75 m。边界使用水平和垂直方向限制,固定底部,同时模型顶部岩层三角覆盖使上部载荷均匀附在上部边界。其岩石力学参数如表1所示。

表1 5#煤层岩石力学参数

3.2数值模拟结果及分析

不同煤柱宽度下煤柱塑性区见图1。

1-a 区段煤柱10 m

1-b 区段煤柱15 m

图中可以看出:当区段煤柱宽度10 m和15 m时,煤柱整体破坏失稳;区段煤柱宽度为20 m时,煤柱弹性区为5 m;区段煤柱宽度为25 m时,煤柱弹性区为8.5 m,与理论计算值接近,煤柱较为稳定;弹性区宽度与理论计算宽度相近,煤柱稳定性较好;由图1-e和1-f可知,随着煤柱宽度增加塑性区宽度也随之增加,但此时煤柱稳定性变化不大。

1-c 区段煤柱20 m

1-d 区段煤柱25 m

1-e 区段煤柱30 m

图2为不同煤柱宽度下煤柱垂直应力情况,图3为不同区段煤柱宽度时煤柱垂直应力分布曲线。

由图2、3可知区段煤柱10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m时,支承压力峰值分别为23.8 MPa、23.0 MPa、22.1 MPa、21.5 MPa、21.2 MPa、21.0 MPa,应力集中系数分别为2.31、2.22、2.15、2.08、2.06、2.04,随着煤柱宽度增加,煤柱应力集中系数减小。

2-a 区段煤柱10 m

2-b 区段煤柱15 m

2-c 区段煤柱20 m

2-d 区段煤柱25 m

2-e 区段煤柱30 m

2-f 区段煤柱35 m图2 不同煤柱宽度下煤柱垂直应力Fig.2 Vertical stress of coal pillars with different width

图3 不同区段煤柱宽度时煤柱垂直应力分布曲线Fig.3 Vertical stress distribution of coal pillars with different width

由图3可知,区段煤柱采空侧应力峰值大于回采侧,区段煤柱为10 m、15 m时,区段煤柱支承压力在回采侧达到一个峰值后,支承压力基本保持不变,说明煤柱中部不存在弹性区。区段煤柱为20 m时,煤柱达到应力峰值后应力逐渐降低,但幅度较小,说明煤柱弹性区范围较小。区段煤柱为25 m时,煤柱达到应力峰值后应力逐渐降低,幅度较大,说明煤柱弹性区范围较为明显,煤柱稳定性好。且随着煤柱宽度增大塑性区增大,但煤柱中部应力最小值和第二个应力峰值变化不明显,说明对煤柱稳定性影响较小。

4 结 论

1) 通过极限平衡理论和广义米塞斯准则理论计算得到5#大倾角煤层保护煤柱宽度为25.6 m。

2) 通过数值模拟得到在二次回采阶段区段煤柱垂直应力呈现不对称“马鞍形”分布,且采空侧应力峰值大于回采侧。

3) 通过数值模拟和理论计算确定5#大倾角煤层合理保护煤柱宽度约25 m左右。

[1] 伍永平,员东风,张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究[J].煤炭学报,2000(5):465-468.

WU Yongping,YUN Dongfeng,ZHANG Miaofeng.Study on the Elementary Problems of Full-mechanized Coal Mining in Greater Pitching Seam[J].Journal of China Coal Society, 2000(5):465-468.

[2] 石平五.西部煤矿岩层控制泛述[J].矿山压力与顶板管理,2002 (1):6-8.

[3] 张基伟,古亚丹,王金安,等.急倾斜煤层支承压力分布特征研究[J].煤矿安全,2015(5):67-70.

ZHANG Jiwei,GU Yadan,WANG Jin'an,etal.Research on Support Pressure Distribution Characteristics of Steeply Inclined Coal Seam[J].Safety in Coal Mines,2015(5):67-70.

[4] 常西坤.村庄下大倾角煤层条带煤柱合理尺寸研究[D].青岛:山东科技大学,2007.

[5] 侯凤才.大倾角煤层区段煤柱合理留设宽度研究[J].煤炭工程,2012(3):3-5.

HOU Fengcai.Study on Rational Set Width of Sectional Coal Pillar[J].Coal Engineering,2012(3):3-5.

[6] 王琳,王广宏,董静.大倾角煤层长壁工作面区段煤柱尺寸留设模拟[J].矿业安全与环保,2016(6):74-77.

WANG Lin,WANG Guanghong,DONG Jing.Simulation of Section Coal Pillar Size Reserved for Longwall Face of Steeply Inclined Coal Seam[J].Mining Safety and Environmental Protection,2016(6):74-77.

ReasonableSizeofSectionCoalPillarsinSteepThickCoalSeam

RENZhongxian
(JingfangCoalCo.,Ltd.,ShanxiCoalInternationalEnergyGroup,Changzhi046000,China)

Taking section coal pillars in No. 5 steep thick coal seam as the engineering background, based on Limit Equilibrium Theory and Extended Mises Yield Criterion Theory, the width of the section coal pillar was calculated to be about 25.6 meters at the inclination angle of 35°; FLAC3Dsoftware was used to simulate the distribution of the surrounding rock stress and plastic zones of coal pillars with different width. The simulation result showed the reasonable width to be 25 meters.

steep thick coal seam;section coal pillar;Limit Equilibrium Theory;numerical simulation

1672-5050(2017)03-0023-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.007

2017-04-25

任重先(1987-)，男，山西长治人，大学本科，助理工程师，从事煤矿通风安全管理。

TD822+.3

A

(编辑:薄小玲)