钱家营矿工作面巷道布置模拟研究_王志强.pdf

开开采采技技术术与与装装备备 钱家营矿工作面巷道布置模拟研究 王志强，郭磊，刘宏军，邢瑞军，苏越 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院，北京 100083 ［ 摘 要］采用理论分析、数值模拟和相似模拟方法对传统留煤柱巷道布置和错层位巷道布置 进行研究。首先确定传统巷道布置的煤柱宽度，并进行合理性验证，以及错层位巷道采用外切式布 置; 其次根据钱家营煤矿实际地质条件，模拟研究不同宽度煤柱在煤体开挖后的围岩应力和变形破 坏，得出了 12－1 煤层区段煤柱的合理宽度为 6m，弹性核宽度为 3. 2m，与错层位巷道布置进行对比， 最后采用相似实验模拟研究 2 种巷道布置上覆岩移状态，为 12－1 煤层后续开采巷道布置提供依据。 ［ 关键词］煤柱; 错层位布置; 合理尺寸; 弹性核 ［ 中图分类号］ TD822. 2［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201702- 0019- 05 Simulation Studying of Working Face Roadway of Qianjiaying Coal Mine WANG Zhi- qiang，GUO Lei，LIU Hong- jun，XING Rui- jun，SU Yue School of Resources and Safety Engineering，China University of Mine Technology Beijing ，Beijing 100083，China Abstract The ordinary roadway arrangement with coal pillar layout and stagger roadway arrangement were studied by theory analysis， numerical simulation and similarity simulation . Firstly，coal pillar width or ordinary roadway arrangement was determined and then its rationality was verified，and exterior layout was applied in stagger layer roadway，then according geological situation of Qian- jiaying coal mine，surrounding rock stress and deation broken after coal excavation under different coal pillar width were simulation studied，then reasonable coal pillar width of 12- 1 coal seam is 6m，and elastic core width is 3. 2m，compared with stagger layer road- way arrangement，the overburden displacement of two different roadway arrangement were studied with similarity simulation in laborato- ry，it references for mining roadway layout of 12- 1 coal seam. Key words coal pillar; elastic core; stagger arrangement; reasonable size ［ 收稿日期］ 2016－08－25［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 02. 005 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目 51404270 ; 中央高校基本科研业务费专项资金项目 2011QZ06 ［ 作者简介］ 王志强 1980－ ，男，内蒙古呼伦贝尔人，副教授，从事矿压方向研究。 ［ 引用格式］ 王志强，郭磊，苏越 . 钱家营矿工作面巷道布置模拟研究 ［J］ ． 煤矿开采，2017，22 2 19－23，109. 综采工作面区段平巷布置有单巷布置和双巷布 置 2 种 ［1 ］，留设区段煤柱一直是传统的护巷方法， 其方法是在上区段运输平巷和辖区段回风平巷之间 留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开支撑应力 峰值区 ［2 ］。区段煤柱的作用一方面是隔离采空区， 另一方面是保证下区段巷道的稳定性。煤柱的合理 宽度不仅关系到回采巷道的支护效果，而且影响煤 矿的安全生产及经济效益。煤柱过窄，虽然能减少 煤炭损失，但煤柱容易失稳，不仅给巷道维护造成 困难而且容易造成采空区漏风; 煤柱过宽，不仅导 致煤炭资源的浪费，而且难以保证巷道处在支承应 力卸压带范围内 ［3 ］。 随着煤层开采厚度的增加，煤柱留设宽度也相 应增加，使得区段煤炭采出率长期处于较低的水 平 ［4 ］。针对此类问题，赵景礼［5－8 ］等人提出了厚煤 层错层位巷道布置方法，并深入研究了错层位巷道 布置工作面的矿压分布规律，提出提高综合煤炭采 出率的措施。刘朝辉 ［9 ］提出了在中厚煤层中采用 错层位巷道布置，并深入研究了错层位巷道布置工 作面 “三段式”回采工艺、采出率等参数。王志 强等人 ［10－11 ］深入研究了错层位巷道布置下工作面 上覆关键层的运动规律，丰富了错层位巷道矿压分 布规律的研究。 本文以开滦钱家营矿为例，通过在中厚煤层中 进行错层位巷道布置，然后对比传统留煤柱巷道布 置，为钱家营矿 2021E 工作面巷道布置优化提供 依据。 1工作面概况 钱家营矿 2021E 工作面位于二水平十采区东 翼 12－1 煤层，开采深度为－571. 9～ －631. 7m，回 采煤层厚度 1. 4 ～ 4. 0m，平均煤厚 2. 6m;密度 1. 35kg/m3，煤层倾角 3～18，平均 6，工作面煤 层平均走向长 732. 3m，倾斜长平均 189. 8m。工作 91 第 22 卷 第 2 期 总第 135 期 2017 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 2 Series No. 135 April2017 ChaoXing 面局部煤层伪顶较为发育，厚度 0～0. 3m。2021E 工作面同煤层倾斜上方 1327 东已采毕，倾斜下方 暂未设计工程;工作面上覆 9 煤层 1397 东、2091 东已采毕，上覆 8 煤层无工程，上覆 7 煤层 1378 东、1377 东已采毕，上覆 5 煤层 1357 东、1358 东 已采毕。 煤层直接顶为炭质泥岩，厚 2. 0m;基本顶为 粉砂岩，厚 13. 7m，内含少量泥岩; 直接底为粉细 砂岩，厚 3. 2 m;老底为中砂岩，厚 7m。煤层顶 底板均属中等稳定岩层。 2工作面巷道布置 2. 1理论计算 2. 1. 1传统巷道布置下煤柱宽度的确定 根据文献 ［ 2］ ，煤柱的承载能力与煤柱的力 学性质和煤柱几何尺寸有关，保持煤柱稳定的条件 是在煤柱中央存在一定宽度弹性核，弹性核的宽度 应不小于煤柱高度 2 倍，其模型如图 1 所示。 图 1煤柱的弹塑性变形区及应力分布 回采空间和采准巷道两侧所形成的塑性区的宽 度分别为 x0和 x1。计算公式为 B x0 2m x1 1 式中，B 为煤柱宽度，m; m 为煤层开采厚度，m; x0为回采空间在护巷煤柱两侧形成各自的塑性区宽 度，m; x1为采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的 塑性区宽度，m。 根据岩体极限平衡理论，塑性区的宽度及支撑 应力峰值与煤体 煤柱边缘之间距离的公式 x0 为 x0 m 2ξfln KγH ccotφ ξ P1 ccotφ f tan φ 4 ，ξ 1 sinφ 1 － sinφ 2 式中，K 为应力集中系数;P1为支架对煤帮的阻 力，kN; H 为巷道埋深，m; γ 为上覆岩层平均体 积力，kN/m; C 为煤体的黏聚力，MPa; φ 为内摩 擦角， ; f 为煤层与顶底板接触面摩擦系数; ξ 为三轴应力系数。 根据矿区地质和煤层赋存条件，参数选取的原 则是 在一侧采动时，K 取 2. 5;两侧采动时，K 取 4. 0，P1取 0;由于煤层采高与巷道高度不同， 考虑开采的综合影响，m 取采高与巷道高度之和的 1/2; C 通常取 0. 45 ～ 0. 75MPa。结合钱家营煤矿 2021E 工作面的具体地质条件，理论计算合理煤柱 尺寸为 6. 25m，为了最终方便与错层位巷道布置形 式进行对比，最终确定巷道宽度为 6m。 2. 1. 2错层位巷道布置 根据文献 ［ 4］ ，将工作面两端的区段进风巷 与回风巷分别布置在厚煤层的不同层位立体化相互 交错搭接，构成了不同的巷道搭接形式。典型的错 层位巷道布置有内错式、重叠式、外切式和外错 式，如图 2 所示。根据上巷回风巷起坡角计算以及 煤层地质条件，此处选择错层位外切式进行数值模 拟。 1下一工作面进风巷; 2上一工作面回风巷 图 2错层位巷道布置的其他形式 2. 2数值模拟 2. 2. 1数值模型 采用 FLAC3D数值计算软件进行模拟分析，根 据钱家营矿 2021E 工作面地质条件，建立传统巷 道布置下不同宽度煤柱，即 6，10 和 15m 煤柱宽 度下巷道围岩状态数值模拟模型和错层位巷道布置 下工作面巷道受力模型，分析并优化煤柱宽度，并 对比错层位外切式布置下煤柱内支撑应力、位移及 煤柱内部塑性区分布规律。 模型尺寸为 200m x 170m y 95m z ，其中 X 轴方向为工作面方向，Y 轴沿工作面 推进方向，Z 轴为重力方向，传统巷道布置和错层 位巷道布置建立的模型及地层分组具体情况如图 3 所示。模型上部边界距地表 600m，底部边界垂直 方向固定，左右边界方向固定，地应力根据实测地 应力进行施加，模型上部岩体施加竖向地应力 15. 6MPa。 数值模型在初始地应力平衡之后，进行上区段 工作面的回采，为单侧开采，工作面开采尺寸为 195m2. 6m 宽高 ，模型四周留边界煤柱 30m， 工作面推进长度 170m，模型每次开挖推进长度 30m。模型采用莫尔－库伦本构模型进行计算，相 关岩层力学参数详见表 1。 02 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 图 312－1 煤回采巷道 FLAC3D模型 表 1各岩层力学参数 岩层 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 密度/ kgm －3 摩擦角/ 黏聚力/ MPa 抗拉强 度/MPa 细砂岩4. 502. 252450323. 002. 60 粉砂岩4. 002. 002400424. 604. 30 炭质泥岩3. 301. 652400424. 404. 00 12－1 煤4. 50 2. 251350323. 002. 60 粉砂岩4. 002. 002500424. 003. 60 粉砂岩4. 002. 002500294. 203. 80 中砂岩3. 201. 602500293. 803. 40 2. 2. 2煤柱宽度数值计算 2. 2. 2. 1应力场分布与煤柱宽度的关系 图 4 为传统巷道布置下煤柱宽度 6，10，15m 和错层位巷道布置下梯形煤柱 6m 情况下工作面的 垂直应力 SZZ的分布规律。同时对巷道中间高 度位置煤柱内垂直应力信息进行提取分析比较，切 片为 y115m 处。不同煤柱宽度对应的煤柱内垂直 应力分布如图 5 所示。 由图 4～5 看出，煤柱峰值点都分布在靠近采 空区侧，符合垂直应力在倾向方向上的分布规律。 在单侧采空条件下，煤柱宽度不同，内部围岩垂直 应力分布也相应不同。当煤柱宽度为 6m 时，煤柱 支承应力峰值为 100MPa，煤柱内支承应力峰值距 煤壁 1. 6m，应力集中系数 6. 09，高于原岩应力， 同时 2 条巷道靠近煤柱侧，发生塑性破坏，支承应 力成近似的蝶形状分布，由此说明煤柱内部存在弹 性核。由图 5 a知煤柱中间的弹性核宽度为 3. 2m，煤柱处于安全状态，具有一定的承载能力。 煤柱宽度为 15m 时，煤柱支承应力峰值距离煤壁 4m，煤柱中心位置接近应力最低点近 20MPa，应 力集中系数为 4. 26，弹性核区域范围为 6m，弹性 核分布范围增大，煤柱承载能力增强。随着煤柱宽 度的继续增大，煤柱支承应力峰值呈逐渐递减的趋 势，内部弹性稳定区增大，煤柱承受能力显著增 强。 图 4传统巷道布置下不同宽度煤柱和 错层位巷道布置 6m 煤柱垂直应力分布 由图 4 d看出，在错层位巷道布置下，运 输巷道承受的垂直应力 SZZ较小，由于巷道上 方采空区的影响，所以巷道左侧和上方的应力较传 统巷道显著减小，巷道变形减小，巷道的维护强度 降低，同时减少了煤柱的损失。需要说明的是，由 于采用的是矩形巷道布置，因此在错层位巷道右上 角和右下角出现了应力集中的现象，掘巷时可以通 12 王志强等 钱家营矿工作面巷道布置模拟研究2017 年第 2 期 ChaoXing 图 5不同煤柱尺寸及错层位煤柱 6m 垂直应力曲线 过优化巷道布置形状，避免巷道边角处出现应力集 中的现象。 由图 5 d看出，煤柱内部支承应力值向巷 道方向逐渐递增，峰值位置靠近巷道左帮，峰值为 10MPa，小于原岩应力。需要注意的是，梯形煤柱 左半部分，即三角煤柱区域处于采空区下方，处于 应力降低区域，支承应力值小于原岩应力，而靠近 巷道左帮处，围岩已经完全破坏，应力值也小于原 岩应力，2 个区域低于原岩应力的机理是不同的。 2. 2. 2. 2煤柱塑性区变化规律 分别提取 2 种巷道布置下工作面推进方向 y 115m 处切片塑性分布状态信息，具体情况如图 6 所示。 图 6传统巷道布置不同宽度煤柱和错层位 巷道布置 6m 煤柱塑性区分布示意 由图 6 可知，传统留煤柱巷道布置下，不同宽 度煤柱的塑性区破坏区不同，从本质上来说，煤柱 支撑能力的强弱可以通过煤柱本身的破坏程度来获 得更加直观的反映，当传统巷道布置下煤柱宽度为 10 和 15m 时，煤柱中间有较大的弹性核区域，说 明煤柱承载能力较强，而且煤柱内部塑性破坏区域 范围小; 当煤柱宽度为 6m 时，煤柱仍然具有一定 22 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 的弹性核区域，只是范围较小。因此可以认为 6m 宽度为煤柱完全破坏的极限宽度。 在错层位巷道布置形式下，塑性区范围多集中 在上区段回风巷道下方和下区段运输巷道左方，在 错层位梯形煤柱中分布范围较小 梯形煤柱为上 区段回风巷及工作面抬高部分与下区段运输巷之间 形成的煤柱区域 。通过对比分析，在错层位巷道 布置下，煤柱破坏范围分布较小，且煤柱分布在采 空区下，稳定性较好，同时减少了今后下层煤体开 采中应力的传递。 综合分析，在传统留煤柱巷道中，留设 6m 煤 柱能较好地达到减小煤柱尺寸和承载上覆应力的目 的，而错层位巷道布置在巷道应力分布及煤柱内部 稳定性上比传统巷道布置留设 6m 煤柱更有优势。 2. 3相似模拟 试验平台采用中国矿业大学 北京采矿工 程实验室的二维试验台及平面应力模型。设几何相 似比为 αL 200 ∶ 1，体积密度比 αγ 1. 6 ∶ 1，模 拟与实体所有各对应点的运动情况要求相似，即各 对应点的速度、加速度、运动时间等都成一定比 例。因此，要求时间比为常数，即 αt14. 1。 模型底面限制垂直移动，模型上部边界施加垂 直应力。试验中采用 Nikon DTM －53IE 型全站仪、 CM－2B 型静态应变仪以及计算机数据采集系统等 仪器，研究煤层在采用传统留煤柱巷道布置和错层 位巷道布置形式下上覆岩层的运移规律以及接续工 作面顶板整体垮落特征和应力分布规律。 为了突出错层位接续工作面上覆岩层运移特 点，特选取一留设 6m 区段煤柱的传统综放开采进 行对比，如图 7 所示，图 7 a为工作面覆岩垮 落前示意图，中部为工作面，工作面左侧为错层位 巷道布置，右侧为传统留煤柱巷道布置，图 7 b 为工作面推进完成后覆岩垮落后示意图。 传统综放开采工作面之间留设区段煤柱，由于 有了煤岩柱的阻隔，工作面各自形成一个 “梯形” 垮落稳定结构，如图 7 b所示，煤层采出后， 上覆岩层将其压力转移到煤柱上，煤柱受到上覆岩 层强烈压力会出现压酥、压裂，造成上覆岩层整体 急剧下沉，矿压显现十分剧烈，甚至造成煤柱的突 然性破坏，诱发冲击地压。 错层位外切式开采取消了工作面留设的区段煤 柱，如图 7 a左侧所示，工作面之间由于没有 了煤岩层的阻隔，接续工作面上覆岩层一开始垮落 就与上一工作面连成一个整体，接续工作面开采到 一定范围时，2 个工作面形成一个公共关键层，类 图 7传统巷道布置与错层位巷道布置岩层运移对比 似于 1 个超长工作面。同时试验发现，采用错层位 综放开采地表下沉缓慢均匀，地表不会出现坑坑洼 洼的现象。 3结论 1传统区段煤柱宽度尺寸较大时，单侧采 空煤柱内支承应力呈近似蝶形状分布，煤柱中间存 在弹性核，随着煤柱尺寸的增大，弹性核区域增 加，煤柱承载能力增大。 2传统巷道布置下，通过理论分析确定煤 柱合理尺寸为 6m，结合数值模拟结果，煤柱宽度 6m 时，存在较小的弹性核区域，煤柱塑性区范围 较大。 3在传统留煤柱巷道布置情况下，引入错 层位巷道布置法，在减小垂直应力和降低塑性区分 布范围等方面，错层位巷道布置具有较明显的优 势。 4通过布置错层位巷道，可减小煤柱损失， 提高煤炭资源采出率，应力减小，进一步减少巷道 维护成本，降低钱家营巷道布置等成本。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 徐永圻 . 煤矿开采学 ［M］ ． 徐州中国矿业大学出版社， 2009. ［ 2］ 钱鸣高 . 矿山压力与岩层控制 ［M］ ． 徐州中国矿业大学出 版社，2011. ［ 3］ 孔德中，王兆会，李小萌，等 . 大采高综放面区段煤柱合理 留设研究 ［ J］． 岩土力学，2014 S2 460－466. ［ 4］ 赵景礼，李向阳，李友军，等 . 错层位巷道布置在矿区绿色 开采中的应用 ［ A］ ． 中国煤炭机械工业协会 . 第三届全国煤 下转 109 页 32 王志强等 钱家营矿工作面巷道布置模拟研究2017 年第 2 期 ChaoXing 3试验研究 按照贴附尾梁下表面的破碎装置方案，搭建了 地面简易试验系统 图 6 ，其中挡架作为大块的 限位装置，防止冲击过程的滑移。挡架与钎杆端头 最小 伸缩千斤顶收回状态距离 10mm。以 0. 5m 规格尺度大块混凝土作为破碎对象，普氏硬 度系数 f 4 左右，近似模拟硬质大块煤。泵站系 统供液压力 31. 5MPa。 图 6大块冲击破碎试验系统 将伸缩千斤顶全伸出，放置好混凝土块，回收 伸缩千斤顶压紧 实际压力达到 28MPa ，发现单 纯依靠静压力无法压裂大块。操纵控制阀使破碎锤 冲击动作，在蓄能器调定压力 20MPa 条件下，仅 发生接触表面局部损伤 小坑 ，调定压力达到 28MPa 时，大块瞬间产生断裂，单次冲击破断过 程如图 7 所示，经历了裂纹产生、破断的过程。 图 7单次重载冲击下试块破断过程 蓄能器高压储能除增大活塞挤压作用力外，相 同加速距离下还将产生更大的初始速度，因此依靠 乳化液冲击破碎装置的高压、高速重载冲压破断方 式可以高效实现硬质大块煤的裂解。 4结论 针对综放工作面后部硬质大块煤处理难题，以 乳化液冲击破碎锤技术为基础，放顶煤液压支架尾 梁为依托，设计了液压支架尾梁冲击破碎装置并在 地面进行了初步试验验证。 1理论和试验共同表明，冲压破碎是实现 硬质大块煤高效破断的有效方式。 2尾梁下贴附式乳化液破碎锤系统的方案， 借助尾梁摆动和伸缩千斤顶动作可实现大块的定 位、压实，同时有利于在现有支架尾梁上安装，实 用性强。 3论文的研究和试验工作为破碎装置井下 应用打下了基础，为解决较硬煤层放顶煤生产中大 块煤压溜问题和提高采出率起到积极促进作用。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 王家臣 . 我国厚煤层开采技术新进展 ［A］ ． 第七次煤炭科学 技术大会文集 ［C］ ． 北京中国煤炭工业协会，2011，236－ 242. ［ 2］ 马端志，王恩鹏 . 两柱掩护式大采高强力放顶煤液压支架的 研制 ［J］． 煤炭科学技术，2013，41 8 84－86，91. ［ 3］ 韩哲，赵铁林，解兴智 . 提高浅埋坚硬特厚煤层顶煤冒放 性技术研究 ［J］． 煤矿开采，2016，21 1 18－20. ［ 4］ 于海湧，范志忠 . 神东矿区中硬厚煤层放顶煤开采实践 ［J］． 煤矿开采，2011，16 3 66－67，80. ［ 5］ 刘长友，黄炳香，吴锋锋，等 . 综放开采顶煤破断冒放的块 度理论及应用 ［J］ ． 采矿与安全工程学报，2006，23 1 56－60. ［ 6］ 刘茂军 . “两硬”条件下特厚煤层放顶煤工作面安全开采 ［ J］ ． 煤炭科技，2011 2 62－64. ［ 7］ 张德生，王国法，范迅，等 . 基于 SPH 方法的大块煤冲击 破碎数值模拟 ［ J］ ． 煤炭学报，2013，38 11 1934－1939. ［ 8］ 张德生 . 乳化液冲击破碎锤设计及特性仿真 ［J］ ． 液压与气 动，2013 6 28－31. ［责任编辑 徐亚军］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 23 页 矿机械安全装备技术发展高层论坛暨新产品技术交流会论文集 ［ C］． 中国煤炭机械工业协会，2012. ［ 5］ 赵景礼 . 厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法 ［P］． 中国， ZL98100544. 6. 1998－08－19. ［ 6］ 赵景礼，李报 . 提高综放煤炭回收率的研究一兼论错层位 巷道布置系统 ［J］ ． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版 ， 1998，17 3 237－239. ［ 7］ 赵景礼，厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法的研究 ［J］ ． 煤炭学报，2004，29 2 142－145. ［ 8］ 赵景礼，王树岗，陈光升，等 . 缓倾斜厚煤层全开采新方法 ［ J］ ． 矿山压力与顶板控制，2003，25 3 25－27. ［ 9］ 刘朝晖 . 中厚煤层错层位巷道布置工作面 “三段式”回采研 究 ［ J］ ． 煤炭工程，2014，46 12 66－68. ［ 10］ 王志强，李鹏飞，王磊，等 . 再论采场 “三带”的划分方 法及工程应用 ［ J］ ． 煤炭学报，2013，38 S2 287－293. ［ 11］ 王志强，赵景礼，李泽荃 . 错层位内错式采场 “三带”高度 的确定方法 ［J］． 采矿与安全工程学报，2013，30 2 231 －236. ［责任编辑 李 青］ 901 张德生 放顶煤液压支架尾梁冲击破碎装置设计及试验研究2017 年第 2 期 ChaoXing