隆德煤矿区段煤柱合理宽度的确定_李来源.pdf

开开采采技技术术与与装装备备 隆德煤矿区段煤柱合理宽度的确定 李来源 神木县隆德矿业有限责任公司，陕西 榆林 719300 ［ 摘 要］结合华电隆德煤矿 201 工作面的实际情况，采用数值模拟软件 FLAC3D ，从煤柱塑性 破坏范围、应力分布大小、围岩变形等角度对不同尺寸区段煤柱的稳定性进行研究分析，最终确定煤 柱合理宽度范围为 12. 5～15. 0m。 ［ 关键词］区段煤柱; 合理宽度; 数值模拟; 稳定性 ［ 中图分类号］ TD822. 3［ 文献标识码］ B［ 文章编号］ 1006- 6225 201805- 0018- 04 Determined of Rational Width of Sectional Coal Pillar of Longde Coal Mine ［ 收稿日期］ 2017－12－21［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 05. 005 ［ 作者简介］ 李来源 1964－ ，男，山东济宁人，高级工程师，博士研究生，从事矿山压力与岩层控制等方面的研究。 ［ 引用格式］ 李来源 . 隆德煤矿区段煤柱合理宽度的确定 ［J］． 煤矿开采，2018，23 5 18－21. 1工程概况 华电隆德煤矿 201 工作面位于 2 －2 煤层辅运大 巷西侧，南部为 203 工作面采空区，北部及切眼靠 近井田边界，地面相对位置为工业广场西北部，风 井广场北部，工作面中心位置距工业广场 4. 4km， 距风井广场2. 6km; 工作面标高1001. 8～1033. 1m， 地面标高 1197. 2～1236. 1m，平均埋深在 200m 左 右。 2 －2 煤层倾角小，为近水平煤层; 201 工作面采 用综合机械化采煤法，平均采高 3. 55m，工作面长 300m，可采长度 3694. 5m。 表 1 为工作面顶底板岩层分布情况，顶板管理 方法为全部垮落法。 表 1 201 工作面顶底板岩层分布情况 顶底板岩石名称厚度/m岩性特征描述 基本顶细砂岩、粉砂岩8. 2～18. 6深灰色，泥质胶结，波状层理，层面可见少许植物化石，夹泥岩及细砂岩薄层。 直接顶粉砂岩5. 4～9. 4灰色，泥质胶结，波状层理发育，含植物叶片化石，具有劈理面，夹砂质泥岩。 伪顶泥岩0. 2～0. 5灰色，含少许植物化石，可见微斜层理，断口具滑面，硬度小，易风化。 直接底粉砂岩6. 2～13. 9灰色，水平及波状层理，含植物化石，岩心完整，硬度中等。 2模拟方案 为确定合理煤柱尺寸，采用 FLAC3D ［1－2 ］对煤柱 留设宽度进行模拟分析，结合隆德煤矿 201 工作面 的实际情况，依据区段煤柱的留设宽度不同，确定 模拟方案如下 方案 1 煤柱的留设宽度为 20. 0m。 方案 2 煤柱的留设宽度为 17. 5m。 方案 3 煤柱的留设宽度为 15. 0m。 方案 4 煤柱的留设宽度为 12. 5m。 方案 5 煤柱的留设宽度为 10. 0m。 模拟选用的本构关系为 Mohr－Coulomb model， 模型的左、右边界为单边约束，即水平位移为零， 垂直位移不为零，底部边界为全约束，即水平位移 和垂直位移均为零，上部为应力边界，近似为均布 载荷，其大小按 q∑ρgh 进行近似估算［3－4 ］; 模拟 选用的煤岩体的物理力学参数见表 2。 表 2折减后的煤岩体物理力学参数 岩石名称 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 抗拉强 度/MPa 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/ 密度/ kgm －3 顶板细砂岩7. 15. 21. 361. 28362650 顶板粉砂岩5. 74. 71. 281. 23352580 顶板泥岩4. 13. 81. 041. 12332350 2 －2 煤 3. 12. 30. 910. 87321850 底板粉砂岩6. 35. 21. 281. 21342560 底板细砂岩8. 76. 61. 381. 32372870 3模拟结果分析 3. 1煤柱塑性破坏分析 图 1 给出了不同模拟方案下煤柱塑性区的分布 变化。煤柱塑性破坏范围变化见图 2。 结合图 2 可知，随着煤柱尺寸的减小，煤柱工 作面侧的破坏深度依次为 3. 0m，3. 12m，4. 28m， 4. 36m 和 5. 0m，煤柱辅运巷侧的破坏深度依次为 2. 0m，2. 08m，2. 14m，2. 18m 和 4. 0m，煤柱工作 面侧的破坏深度明显大于辅运巷侧，累计破坏深度 81 第 23 卷 第 5 期 总第 144 期 2018 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 5 Series No. 144 October2018 ChaoXing 图 1不同模拟方案下煤柱塑性破坏分布 依次为 5. 0m，5. 2m，6. 42m，6. 54m 和 9. 0m，弹 性区域分别为 15. 0m，12. 3m，8. 58m，5. 46m 和 1. 0m，破坏比率分别为 25，29. 71，42. 8， 52. 32和 90。因此，从煤柱塑性破坏范围来看， 煤柱宽度大于 15. 0m 时，塑性破坏比率小，留设 尺寸偏大; 若煤柱宽度为 10m，累计破坏深度高达 9. 0m，塑性破坏比率高，稳定性差，存在安全隐 患。 图 2煤柱塑性破坏范围变化 3. 2煤柱应力场分析 图 3 给出了不同模拟方案下煤柱垂直应力场的 分布变化。 模拟结果显示，随着煤柱尺寸的减小，垂直应 力峰值向煤柱深处转移。煤柱宽度大于 15. 0m 时， 图 3不同模拟方案下煤柱垂直应力场分布 在煤柱辅运巷侧出现小范围的轻微应力集中现象， 即垂直应力呈双峰值变化，这表明煤柱留设尺寸偏 大 应力峰值间存在有大量的弹性区域 ;煤柱宽 度为 15. 0m 时，垂直应力双峰值不复存在，仅在 工作面侧出现峰值;煤柱宽度为 12. 5m 时，垂直 应力峰值开始向辅运巷侧偏移，但高应力区域仍分 布在工作面侧;煤柱宽度为 10. 0m 时，垂直应力 峰值急速向辅运巷侧偏移，煤柱内的弹性区域减 小。 结合图 4 可知，随着煤柱尺寸的减小，煤柱内 垂 直 应 力 峰 值 依 次 为 16. 0MPa，16. 73MPa， 91 李来源 隆德煤矿区段煤柱合理宽度的确定2018 年第 5 期 ChaoXing 16. 84MPa，16. 34MPa 和 15. 82MPa，其规律为先 增大后减小，该变化趋势表明，煤柱宽度大于 15. 0m 时，承载能力有盈余，留设尺寸偏大; 若煤 柱宽度为 10. 0m，垂直应力明显减小，表明煤柱的 塑性破坏增加，承载能力降低。 图 4煤柱应力峰值变化 图 5 给出了不同模拟方案下煤柱水平应力场的 分布变化。模拟结果显示，随着煤柱尺寸的减小， 煤柱水平应力集中范围明显减小。煤柱宽度为 20. 0m 时，在煤柱左肩角及左侧深入煤体 6～8m 范 围内出现明显应力集中现象，应力峰值在 7. 96MPa 左右，高应力区主要分布在煤柱工作面侧; 煤柱宽 度为 17. 5m 时，应力集中区域主要出现在煤柱左 肩角处，峰值大小为 8. 47MPa，高应力区分布在煤 柱左半侧，未延展到辅运巷侧; 煤柱宽度为 15. 0m 时，水平应力的分布形态与之前相差不大，应力集 中区域主要出现在煤柱左肩角处，峰值大小为 8. 61MPa; 煤柱宽度为 12. 5m 时，煤柱工作面侧出 现小范围的应力集中现象，峰值大小为 7. 53MPa; 煤柱宽度为 10. 0m 时，高应力区域分布在煤柱中 央，并延展至煤柱两底角处，应力峰值大小为 6. 21MPa，较之前明显减小，表明煤柱破坏增加， 承载能力降低。 因此，从煤柱水平应力分布和大小可以看出， 煤柱尺寸大于 15. 0m 时，煤柱承载能力有盈余， 存在资源浪费现象; 若煤柱尺寸为 10. 0m，塑性破 坏增加，承载能力明显降低，稳定性差，存在安全 隐患。 3. 3巷道围岩变形分析 图 6 为滞后回采工作面 30m 时，不同模拟方 案下辅运巷围岩变形情况。 模拟结果显示，随着煤柱尺寸的减小，辅运巷 两 帮 变 形 增 加，左 帮 向 巷 内 偏 移 量 依 次 为 24. 9mm，25. 4mm，27. 7mm，32. 8mm，40. 1mm， 右帮 向 巷 内 偏 移 量 分 别 为 30. 1mm，31. 8mm， 33. 0mm，36. 7mm，41. 3mm，右帮变形明显比左 帮变 形 大，两 帮 累 计 变 形 量 依 次 为 55. 0mm， 图 5不同模拟方案下煤柱水平应力场分布 57. 2mm，60. 7mm，69. 5mm，81. 4mm。从两帮累 02 总第 144 期煤矿开采2018 年第 5 期 ChaoXing 图 6辅运巷围岩变形 计变形增加幅度中可以看出，煤柱宽度大于 10. 0m 时，变形增加幅度小，不超过 8. 8mm;煤柱宽度 为 10. 0m 时，变形增幅变大，为 11. 9mm，煤柱稳 定性变差。 随着煤柱尺寸的减小，顶底板变形增加，其中 巷道顶板下沉量较大，依次为 51. 2mm，58. 3mm， 67. 5mm， 78. 9mm， 109. 8mm， 巷道底鼓量较小， 分别 为 13. 8mm， 15. 2mm， 16. 1mm， 17. 2mm， 18. 4mm， 顶 底板相对移近量分别为 65. 0mm， 73. 5mm， 83. 6mm， 96. 1mm， 128. 2mm。从顶底板相对变形增加幅度中 可以看出，煤柱宽度大 等于 12. 5m 时，变形 增加幅度小，不超过 12. 5mm; 煤柱宽度为 10. 0m 时，变形增幅变大，为 32. 1mm，煤柱稳定性变 差。 4小结 1煤柱塑性破坏范围表明，若煤柱宽度大 于 15. 0m，煤柱塑性破坏比率小，留设尺寸偏大; 若煤柱宽度为 10. 0m，累计破坏深度高达 9. 0m， 塑性破坏比率高，稳定性差，存在安全隐患;因 此，从塑性破坏范围来看，建议煤柱尺寸不宜小于 12. 5m。 2煤柱应力分布变化和大小表明，若煤柱 尺寸大于 15. 0m，承载能力有盈余，留设尺寸偏 大; 若煤柱尺寸为 10. 0m，塑性破坏增加，承载能 力降低，稳定性差。因此，从应力分布变化和大小 来看，建议煤柱尺寸不宜小于 12. 5m。 3巷道围岩表面位移变形表明，煤柱尺寸 大 等于 12. 5m 时，围岩变形增加幅度不大; 若煤柱尺寸为 10. 0m，围岩变形幅度明显增加，稳 定性变差。因此，从巷道围岩位移变形来看，建议 煤柱尺寸不宜小于 12. 5m。 4综合各方面考虑，隆德煤矿区段煤柱的 留设宽度不宜小于 12. 5m，在 12. 5～15. 0m 范围从 安全维护和资源回收方面均是合理的。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 陈育民，徐鼎平 . 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