房柱式残煤复采煤柱稳定性研究.pdf

万方数据 万方数据 论文题目房柱式残煤复采煤柱稳定性研究 学科名称工程力学 硕 士 生徐亮签名 指导教师张嘉凡签名 摘要 护巷煤柱回收是提高矿井柱式体系开采水平及资源回收率的重要途径。 房柱式采煤 法工艺简单，普遍应用于陕北地区的中小型煤矿。因其采出率低，大量的煤炭资源深埋 地下，不仅造成资源浪费，还为采空区自燃提供了条件，是煤矿安全生产的重要隐患。 随着资源整合的推进， 众多矿区的边角煤及护巷煤柱回收问题受到了研究学者和工程技 术人员的广泛关注。与传统的煤层房柱式开采相比，受煤层旧采区开采的叠加影响，复 合残采区煤柱回收时的矿压显现特征、采场岩层和煤柱的移动变形、可行性判定方法均 有所不同。因此，本文以陕北神府矿区某煤矿 5-2号煤层房柱式开采实际情况为基础， 理论计算确定护巷煤柱合理宽度范围；通过数值模拟，分析了旧采区煤柱群的稳定性， 探讨确立复合残采区煤柱群稳定性判定依据；根据采场结构和现有开采条件，确定残采 区矩形煤柱布置方案； 研究了残采区不同宽度遗留煤柱回收的问题， 得出煤柱群的应力、 位移以及塑性区分布规律，从而确定护巷煤柱宽度，优化回收方案。 结果表明任何单一煤柱稳定性理论都具有局限性，根据极限平衡理论建立数学力 学模型，求得煤柱回收的稳定宽度在 15.620.2m 范围内；结合经验公式求得护巷煤柱 宽度为 28.6m，综合分析得出煤柱合理宽度范围为 15.628.6m。鉴于原有采空区煤柱群 整体稳定，通过数值模拟分析了煤柱群稳定性的依存条件，并将其中最危险一组煤柱中 的应力状态作为后续护巷煤柱回收过程中煤柱群稳定性判定依据； 考虑到煤柱回收过程 中的工程因素， 设置了残采区采用采 6 留 6 的布置方案； 4 种不同宽度煤柱回收过程中， 煤柱群应力、位移以及塑性区范围随护巷煤柱宽度的减小呈增大态势。计算得出，当护 巷煤柱宽度不小于 20m 时，采场具有良好稳定性；当护巷煤柱宽度为 16m 时，残采区 煤柱群应力集中程度加剧， 位移量增大， 塑性区范围扩展， 无法保障煤柱稳定性的需求。 本文的研究为回收房柱式采空区遗留煤柱资源、 评价采空区稳定性提供了一条新的 思路，为解决类似工程问题提供了借鉴性的研究方法，为进一步丰富和深化此类工程问 题的研究体系奠定了良好的基础。 关 键 词残煤复采；煤柱宽度；极限平衡理论；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on the stability of coal pillars with room and pillar remining in residual coal seam Specialty Engineering Mechanics Name Xu LiangSignature Instructor Zhang Jia-fanSignature ABSTRACT Recycling chain pillars is an important way to improve the level of mine mining and to increase the recovery rate of resources under Room and Pillar mining system. The easily applied room and pillar mining was widely accepted by small coal mine in north of Shanxi province, which leads to the low recovery rate and leaves a lot of residual pillars. At the same time the residual pillars could provide material basis for spontaneous combustion of goaf, which might threaten the production safety. With resource integration proceeding, the issue of recycling corner coal and chain pillars has attracted general attentions of scholars and engineers recently. As affected by the superposition of the old pillar mining of coal seam, characteristics of mine pressure appearance, rock ations, feasibility determination and deation of coal pillars during the recovery process might be greater different from traditional coal seam in room and pillar mining. This thesis, which based on the actual situation of room and pillar mining area of 5-2coal seam in north of Shanxi, calculated the reasonable width of chain pillars; Through the numerical simulation, the stability of coal pillars in old mining area was analyzed and determination of stability of coal pillar group in composite residual area was established. According to the structure of the stope and the existing mining conditions, the rectangular pillar arrangement scheme in residual mining area was determined. The problems of the recovery of the remaining coal pillars with different widths in the residual mining area are studied, and the stress, displacement and plastic zone distribution of the coal pillars were obtained to determine the width of the coal pillars and optimize the recovery scheme. The results showed that any single pillar stability theory had limitations.According to the limit equilibrium theory and the established mathematical and mechanics model, the stable width of the chain pillar ranged 15.6 - 20.2 m . According to the empirical ula, the width of coal pillar was 28.6 m. The reasonable width of the pillar is 15.6 - 28.6 m in summary. Based on the overall stability of the existing goaf , the stability conditions of coal pillars were analyzed through numerical simulation, and the stress state in the most dangerous coal 万方数据 pillars was regarded as the criterion of the stability of coal pillars in the process of recovery. Taking the engineering factors into account, the layout of the pillar was adopted taking 6 and leaving 6. The stress, displacement and plastic zone of coal pillars were increased with the decrease of coal pillar width during the process of the recovery with four different widths . When the width of the pillar is less than 20 m, the stope had good stability; when the width of the coal pillar is 16m, the stress concentration and the displacement of the coal pillars were increased, the plastic zone also was extended , which could not guarantee the stability of the coal pillars . This thesis provided a new idea for the recovery of the coal pillar resources and the uation of the stability in goaf. It provided a referential for solving similar engineering problems and laid a good foundation for further enriching and deepening the research system of such problems. Key WordsResidual coal mining; Coal pillar width; Limit equilibrium theory; Numerical simulation ThesisApplication Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景与研究意义....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状............................................................................................................1 1.2.1 残煤复采研究现状..............................................................................................1 1.2.2 煤柱稳定性研究现状..........................................................................................3 1.3 本文研究的主要内容与技术路线图............................................................................5 1.3.1 论文主要研究内容..............................................................................................5 1.3.2 技术路线图..........................................................................................................6 2 护巷煤柱合理宽度理论分析..................................................................................................7 2.1 工程概况........................................................................................................................7 2.2 基于极限强度理论分析................................................................................................9 2.2.1 基于煤柱许用应力计算模型..............................................................................9 2.2.2 按煤柱破坏载荷计算模型................................................................................11 2.3 基于渐进破坏理论分析..............................................................................................12 2.3.1 基于煤柱应力分布计算模型............................................................................12 2.3.2 基于极限平衡理论模型....................................................................................15 2.4 基于尖点突变理论分析..............................................................................................18 2.5 护巷煤柱宽度的确定..................................................................................................20 2.6 小结..............................................................................................................................21 3 原采区煤柱稳定性分析........................................................................................................22 3.1 数值模拟的研究内容和特点......................................................................................22 3.1.1 数值模拟的研究内容........................................................................................22 3.1.2 数值模拟的研究特点........................................................................................23 3.1.3 数值模拟的基本假设及应用程序....................................................................23 3.2 计算模型的建立..........................................................................................................24 3.3 原岩应力场及约束条件..............................................................................................25 3.4 岩体介质及其力学参数..............................................................................................25 3.5 数值模拟过程及结果分析..........................................................................................26 3.5.1 数值模拟过程....................................................................................................26 3.5.2 模拟结果分析....................................................................................................27 3.6 小结..............................................................................................................................29 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 4 残余煤柱稳定性及回收方案研究........................................................................................31 4.1 分步开挖模拟方案的建立..........................................................................................31 4.1.1 最大主应力随开挖的分布规律........................................................................32 4.1.2 剪应力随开挖的分布规律................................................................................33 4.1.3 竖向应力随开挖的分布规律............................................................................35 4.1.4 竖向位移随开挖的分布规律............................................................................36 4.1.5 塑性区随开挖的分布规律................................................................................37 4.2 煤柱回收方案优化分析..............................................................................................38 4.2.1 最大剪应力力τmax分布规律及方案优化.........................................................39 4.2.2 压应力σz分布规律及方案优化........................................................................40 4.2.3 竖向位移分布规律及方案优化........................................................................42 4.2.4 塑性区分布规律及方案优化............................................................................44 4.2.5 护巷煤柱应力分布规律....................................................................................46 4.3 小结..............................................................................................................................47 5 结论与展望............................................................................................................................49 5.1 结论..............................................................................................................................49 5.2 展望..............................................................................................................................50 致谢...........................................................................................................................................51 参考文献...................................................................................................................................52 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景与研究意义 煤炭是我国最丰富的资源，我国煤炭产量居世界第一，储量位居世界第三，在一次 能源生产和消费中，煤炭资源消耗占电力燃料的 76、钢铁能源的 70、民用燃料的 80、化工燃料的 60，所占比重一直保持在 70左右，即使在 2016 年减能限产的条 件下，煤炭产量仍然达到 33.6 亿 t，比例依然还占 62.6。因此，在相当长的一个时期 内，煤炭依然是我国最可靠的能源，在我国的基础能源中具有无法替代的作用。 20 世纪 90 年代，持续低迷的煤炭市场导致众多煤炭企业处于产能低下、资金短缺 的亏损状态。受制于落后的开采方法和低下的机械化水平以及小煤窑私挖滥采等因素， 许多煤矿采用生产成本较低的房柱式打眼放炮落煤法进行掠夺式开采， 从而在其采空区 遗留了储量可观的呆滞煤炭资源。许多老矿井随着多年大强度的开采，都纷纷面临着资 源枯竭问题，同时新建矿井也时刻关注着由旧式采煤法引起的资源浪费问题。我国柱式 体系采煤法的回采率仅为 30左右，陕北地区个别小煤矿采出率甚至低于 20[3]，大量 呆滞煤柱有待回收，造成资源的巨大浪费。据煤炭科学研究院统计，全国范围内呆滞煤 柱资源总量多达 100 亿 t，仅陕西神木地区遗留煤柱总量接近 20 亿 t。另一方面，大量 遗留在采空区的煤柱达到自燃条件，引发采空区在长期氧化过程中大面积化的自燃发 火，埋下了环境污染的隐患[4-5]。 随着煤炭经济形势的好转以及开采技术的进步， 针对各方面原因遗弃或暂时搁置的 煤炭资源，可采取相应的措施将其回收，进一步延长矿井服务年限，提升煤炭资源的回 收率，缓减企业的经济压力。在房柱式开采条件影响下，研究遗留煤柱回收过程中上覆 岩层活动演化及煤柱群应力重新分布的特征，进一步研究煤柱受采动影响的破坏规律， 探寻采动影响下煤柱群活动的一般规律，最终为采场稳定性研究提供必要的理论支撑， 并对类似工程问题的解决提供借鉴意义。 鉴于以上因素，本文提出了在现行房柱式开采条件下，回收遗留煤柱资源方案。结 合研究区域相关地质条件，运用理论分析、数值模拟及工程类比等研究方法，给出了残 采区煤柱资源再次安全回收的方法。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 残煤复采研究现状 国外煤炭产区主要分布在北半球的中温带和亚寒带地区， 地处煤炭富产区的欧洲无 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 论是采煤方法还是采煤工艺都领先于国内， 其对边角煤和保护煤柱等呆滞资源的回收起 步也早于国内。Veil John A 最早提出了残煤复采的概念[6]，实现了提高资源回收率的同 时评估了复采对采场环境的影响。 欧洲多国在井筒保护煤柱回收的实践中积累了宝贵的 经验。 波兰[7-8]通过成功开采即将报废的， 正常生产中的以及处于基本建设中矿井或井筒 的井柱，叙述了由于开采引起的岩层变形现象的动力过程特征，讨论并评价了采用冒落 法在井筒保护煤柱开采中的可行性。 Hycnar J[9]介绍了德国埃森市和比利时在报废老矿井方面的经验及矿井集中化生产 改造的方向。1965 年投产的英国门克顿霍尔煤矿经营 22 年后关闭。1990 年，煤炭公司 在掘进新巷道恢复生产方面投资 1400 多万英镑， 实现了仅在一个水平上年产煤约 49 万 t，整体年产量高达 600 万 t 的的业绩。 保列斯瓦夫煤矿针对工作面实际状况采用了独头工作面的壁式系统开采法， 成功地 回收了断层附近残留的大量煤炭资源[10]；Hawkins J W 在分析了水文和工程地质等问题 的基础上，设计了美国宾夕法尼亚已报废煤矿的重新开采方案[11]，并展望了类似矿井的 复采前景。 张耀荣[12]通过对莒山矿3煤层复采工作的研究， 明确了缓倾斜厚煤层刀柱工作面进 行长壁复采的条件以及要实现安全生产应采取的一些重要技术措施， 如推进方向与留设 煤柱之间的夹角应在150-300度范围内；只要煤层厚度和煤岩的硬度系数均大于2.5，丢 底煤层的复采方案是可行的，并采取措施保证煤皮假顶的完整性以防冒落灾难发生。卢 龙县煤矿采用依阶段石门水平而定的小阶段采煤法对老矿区残煤成功的进行复采。 小阶 段采煤法不仅降低了的事故率，同时回采率比原来提高了25达到86，增加直接经济 效益约合7.2万元。 陈建荣[13]提出的残煤“单放”复采技术采煤高度可达工作面的 3 倍，并针对煤矿残 采布巷、采场支护方式、残采单放、大倾角单放开采等问题以煤矿安全生产、提高效益 为目标，从实践中摸索出合理可靠、符合安全生产要求的新方法和途径。龚真鹏[14]在分 析了西安红会一煤矿工作面煤炭损失的原因后通过优化工作面几何参数， 选择合理的工 艺和顶煤预先弱化措施，使得 1601 综放面回采率提高到 81，共采出煤炭 48 万 t，同 时，改善了通风条件防止瓦斯积聚。 韩可琦[15]将可采储量难以满足生产能力需求的矿井视为衰老矿井。 通过建立矿井生 命周期系统动力学模型，来模拟矿井生命周期的各个阶段。从开采损失角度分析，认为 采空区厚度煤、遗留煤柱以及边角煤块等构成了衰老矿井的主要残煤，并将残煤复采大 致分为三种类型。根据影响残煤复采条件适宜性的因素分析，采用变权理论和综合模糊 评价方法，建立了残煤复采条件适宜性变权模糊评价模型。在综合分析残煤复采难题的 前提下，完善了残煤复采方案设计及关键技术应用。 福建邵武煤矿历经 40 多年的开采，大部分工作面已转向复采[16]，根据高落式放顶 万方数据 1 绪论 3 采煤方法及复采工作面特点，针对影响衰老矿井安全存在的问题，提出加强复采区段的 生产和技术管理，暂缓采掘接替紧张现状。汾西新柳煤矿[17]通过残煤复采来加强老旧矿 窑治理，首先使用瞬变电磁仪对破坏空区进行探测，针对破坏严重区域，采取加快推进 速度，采掘机挑顶等手段避免安全事故的发生。其次建立数值模型进行仿真计算，模拟 结果与现场试验效果具有很好的一致性。 平顶山市新华区众多小煤矿位于平煤集团的报废水平内[18]，因此，遗留煤柱及底部 残煤成为这些乡镇小矿的主要开采对象。据统计，残采资源占现有可采储量的 60.19， 通过分析残采区开采特点，探讨残采区开采的采煤方法、巷道布置、设备选型等技术问 题。 结合现场试验， 充分利用已有巷道， 采用无煤柱护巷技术以及轻型支架放顶煤方法， 实现了残采区开采低成本、高回采率的目标。推动了小煤矿由数量优势向质量优势的的 转型。 平煤高庄矿历经近 30 年的大力开采，20 世纪末不得不面临资源枯竭的问题[19]，目 前矿区生产主要开采的下分层已进入残采阶段。 高庄矿因地制宜采用分段疏水降压防治 水措施保证安全生产，解放可采煤量 70 万 t，不仅延长了矿井服务年限，显著提升了经 济效益和社会效益，同时为矿井的转型奠定了基础和赢得了宝贵时间。 邢伟印等[20]针对新安煤矿边角残煤的复采问题进行论证，确立采用柱式体系开采， 实现了月产煤 7500t，吨煤降低成本 9.34 元的优异成绩，遵从了安全生产的理念，印证 了复采工艺的可行性。朱孔智[21]对兴安煤矿二水平赋存条件的研究，提出了采煤技术工 艺的改进措施，认为通过对旧采区 17煤层残余底煤回收可以有效的减少损失。截至复 采完毕，已采出煤炭 68 万 t，直接经济效益 300 多万元。 1.2.2 煤柱稳定性研究现状 英国 Whittaker 提出的按煤柱许用应力计算模型[22]，这种方法的实质是由理论计算 得出煤柱的平均应力，及由实验得出的煤柱极限强度，从煤柱应力与煤柱强度的平衡关 系，得出煤柱的极限宽度。Whinaker 认为煤柱的平均应力反映了煤柱的受力状况。另 外， Whittaker 还对采空区上覆载荷的转移情况作了研究， 提出了两种情况下的载荷计算 式，同时提出了作用于煤柱上的平均应力决定了煤柱的受力及稳定状况。 英国 Wilson 提出的按煤柱破坏载荷的计算模型[23]，这种方法的实质是在确定出与 极限状态相对应的总载荷之后，用它与实际作用于煤柱之上的载荷相比较，由二者相等 时的极限平衡关系得到极限煤柱尺寸。 Wilson 认为 煤柱受载以后在其边缘形成塑性区， 中央一部分有一弹性区。巷道只有位于弹性区中才可能稳定。当煤柱弹性区中的应力达 煤柱强度极限， 煤柱即处于极限平衡状态， 此时作用于煤柱上的载荷为极限载荷； Wilson 还建立了按煤柱应力分布计算模型[23]，这种方法的实质是以工作面回采后，采空区及煤 帮上应力平衡为基础，通过对煤帮中屈服带及弹性带内应力及其分布范围的分析计算， 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 从而确定煤帮中巷道不受采动影响的最小煤柱宽度。 Wilson 弹性核假说的提出为煤柱研 究提供了方向， 使极限平衡理论和弹塑性理论的应用以及一些相关试验都有了明确的意 义。用辅助面积法提出了各区域的应力分布及范围。 普罗托迪雅柯诺夫提出的按煤柱附加载荷的计算模型[24]， 普罗托迪雅柯诺夫按照当 采动稳定后，上覆岩层转移到煤柱上的载荷量应与煤柱的应力增量相等的原理，求得煤 柱应力增量的分布大小，而得出巷道不受采动影响的煤柱宽度。这种方法与 Wilson 的 方法是相联系的，均考虑了煤柱中应力分布状况，并以载荷为平衡条件。但 Wilson 的 方法确定的柱宽为煤柱受极限载荷时的柱宽； 普罗托迪雅柯诺夫的确定方法为煤柱不受 采动影响时的柱宽，因而有质的不同，普罗托迪雅柯诺夫的方法确定了开巷开采后的影 响范围大小，这对煤柱设计有一定的指导意义。前苏联鲍里索夫提出的按煤柱极限变形 量计算模型[25]，该模型实质上是以煤柱的极限变形量作为平衡条件，由煤柱的实际变形 量 W0应该小于极限变形量△h，来确定极限柱宽。 经验估算选择法 美国的阿什利公式[26]认为煤柱宽度与釆深和煤柱高度之间是二元 线性关系；英国的经验公式[27]认为煤柱宽度与釆深之间呈线性关系。经验估算确定法是 以上覆岩层重量为主要依据来确定煤柱宽度的计算方法，具有表达简单，使用方便的优 点。 我国对于护巷煤柱结构的认识是同国外学者相同的， 即煤柱整体宽度包括三个方面 回采空间在巷道煤柱一侧的塑性区中间弹性核区巷道在护巷煤柱另一侧的塑性区， 即 0 BXLR1.1 式中，B 为煤柱宽度，m；X0为巷道煤柱一侧的塑性区宽度，m；L 为弹性核区宽度，m； R 为巷道在护巷煤柱一侧的塑性区宽度，m。 侯朝炯等[28-29]认为护巷煤柱塑形区宽度的确定，依赖于以往国外理论公式是有问题 的，理论模型并不满足相关基本力学定理。基于此，通过建立极限平衡力学模型推导得 出新的煤柱塑形区宽度公式，同时，文献认为巷道两侧塑形区计算模型是相同的，区别 在于荷载集中系数 K 因两侧开采扰动程度差异取值不同[30]。 吴立新等[31]认为煤柱弹性核区与塑性区交界面上的峰值应力应为煤体屈服流变强 度， 而非荷载集中系数。 同时， 又引入采动影响因子来考虑因采动次数不同带来的影响。 由煤柱稳定性理论分析可知，煤柱支承能力的获得主要来自较为安全的弹性核区的留 设。而从式1.1可以看出，以往弹性核区的留设是人们经验公式的判断，为此，翟所业 等依据煤柱应力分布规律建立煤柱中部弹性核区力学模型，推导得出新的理论公式[32]。 我国