金鸡滩矿大采高工作面合理区段煤柱宽度研究.pdf

论文题目金鸡滩矿大采高工作面合理区段煤柱宽度研究 工程领域矿业工程 硕 士 生张海荣（签名） 指导教师索永录教授（签名） 李丰玉教授（签名） 摘要 金鸡滩煤矿 2-2 上煤采用大采高综采，区段煤柱尺寸留设问题一直是制约矿井安全高 效生产的重要因素之一。对金鸡滩煤矿 2-2 上煤工作面合理区段煤柱留设的研究，不仅对 煤炭资源回收率的提高有重要意义， 而且也对接续工作面区段煤柱的合理留设具有推广 价值。 本文以榆神矿区金鸡滩煤矿 2-2 上煤大采高综采工作面区段煤柱为主要研究对象，通 过理论分析计算、现场实测、数值模拟以及现场工业性试验等多种研究手段，对区段煤 柱的合理留设进行了深入的研究。分析研究了区段煤柱一侧采空后，另一侧回采巷道变 形情况以及煤柱应力分布特征。提出了适用于金鸡滩煤矿 2-2 上煤大采高工作面合理区段 煤柱的留设方案。通过现场实测区段煤柱侧向支承压力分布，分析当前煤柱留设宽度的 合理性。采用理论计算、数值模拟分析以及现场试验多种研究方法，对实现区段煤柱稳 定的合理宽度进行研究。 研究表明 在回采巷道支护条件不变的情况下， 区段煤柱按 25m （实体煤宽度）留设是稳定、合理的，可以保证工作面正常生产。研究成果解决了金鸡 滩煤矿 2-2 上煤工作面区段煤柱合理留设的技术难题，也为今后榆神矿区类似条件下区段 煤柱的合理留设设计积累了经验。 关 键 词大采高；区段煤柱；合理宽度；数值模拟；应力分布 研究类型应用研究 Subject Study on reasonable retention of Jinjitan coal mine working face of section coal pillar under the condition of large mining height Specialty Mining Engineering NameZhang Hai-rong（（Signature）） InstructorSuo Yong-lu（（Signature）） Li Feng-yu（（Signature）） ABSTRACT Jinjitan coal mine 2-2coal is fully mechanized mining,The problem of the size of coal pillar is one of the important factors that restrict the safe and efficient production of the mine.Therefore, of Jinjitan mine 2-2coal working face reasonable section coal pillar design research, not only to improve the recovery rate of coal resources have important significance, but also to continue the reasonable working face of section coal pillar design and provide a theoretical basis. At the same time, research results in Yushen mining area similar engineering geological conditions of the mine has extensive application value. In this paper, In Yushen mining area in Jinjitan coal mine 2-2coal working facewith large mining heightof coal pillar as the main research object , through theoretical analysis calculation, field test, numerical simulation and on-site industrial test a variety of research tools, of section coal pillar reasonable design in-depth study. The deation of coal pillar and the distribution of stress in coal pillar are analyzed and studied. The design scheme for Jinjitan coal mine 2-2coal mining face with large mining height rational section coal pillar. Practice shows that under the condition of constant support condition, the section coal pillar according to 25m solid coal width is stable and reasonable, which can ensure the normal production of working face. The research results to solve the 2-2coal working face of Jinjitan coal mine section coal pillar remaining reasonable design of technical problems, also under the similar conditions in the future of section coal pillar design reasonable retainment of accumulated experience. Key wordsLarge mining height; Section coal pillar; Reasonable retention; Numerical simulation; Stress distribution ThesisApplication research 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义............................................................................................................1 1.1.1 研究背景..............................................................................................................1 1.1.2 研究意义..............................................................................................................2 1.2 国内外研究现状及动态................................................................................................2 1.2.1 大采高采煤技术研究现状及发展趋势.............................................................2 1.2.2 合理区段煤柱留设研究现状.............................................................................3 1.2.3 文献评述.............................................................................................................9 1.3 研究的主要内容............................................................................................................9 1.4 研究方法与技术路线..................................................................................................10 2 金鸡滩煤矿 2-2 上煤层大采高综采工作面概况...................................................................11 2.1 金鸡滩煤矿概况..........................................................................................................11 2.2 2-2 上煤层大采高综采面条件分析...............................................................................11 2.2.1 工作面概况........................................................................................................11 2.2.2 煤层赋存及顶底板情况....................................................................................12 2.2.3 回采巷道支护情况............................................................................................13 2.2.4 回采工艺情况....................................................................................................14 2.3 本章小结......................................................................................................................15 3 大采高工作面区段煤柱合理留设理论分析........................................................................16 3.1 区段煤柱侧向支承压力分布实测..............................................................................16 3.1.1 煤柱支承压力分布观测方案...........................................................................16 3.1.2 煤柱支承压力分布实测结果分析...................................................................17 3.2 区段煤柱中的应力应变特征......................................................................................20 3.3 区段煤柱受力变形特征.............................................................................................22 3.4 影响煤柱留设宽度的因素..........................................................................................22 3.5 区段煤柱合理宽度理论计算......................................................................................25 3.5.1 合理留设区段煤柱的基本条件和原则............................................................25 3.5.2 区段煤柱合理宽度的理论计算........................................................................27 3.6 本章小结......................................................................................................................28 4 大采高工作面区段煤柱合理留设数值模拟分析...............................................................29 4.1 FLAC3D 软件简介..................................................................................................... 29 目录 II 4.2 模型建立......................................................................................................................29 4.3 数值模拟结果与分析..................................................................................................31 4.3.1 塑性区分布计算结果与分析...........................................................................32 4.3.2 垂直位移计算结果与分析...............................................................................33 4.3.3 水平位移计算结果与分析...............................................................................34 4.3.4 最大主应力分布计算结果与分析...................................................................35 4.4 本章小结......................................................................................................................36 5 现场试验研究........................................................................................................................37 5.1 现场观测方案..............................................................................................................37 5.2 观测结果与分析..........................................................................................................37 5.3 本章小结......................................................................................................................40 6 结论与展望............................................................................................................................41 6.1 结论.............................................................................................................................41 6.2 展望.............................................................................................................................41 致谢.......................................................................................................................................42 参考文献...................................................................................................................................43 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 我国很多矿区赋存有 5.0m 以上的厚煤层，大采高综采是目前安全、高效开采这类 厚煤层的一种有效方法。 当前，我国学者对大采高综合机械化开采技术领域的研究主要在采场围岩的控制、 回采工作面“三机”配套以及相关参数确定等方面展开，但对合理留设煤柱尺寸的研究 相对较少。区段煤柱的合理留设一直是影响回采工作面安全生产的关键环节之一，也对 资源采出率具有重要影响。针对大采高综采面，回采巷道间煤柱留设的合理与否在一定 程度上决定着矿井能否实现安全高效开采，同时也是最大限度回收资源的重要基础之 一。因此，对大采高综采面合理区段煤柱尺寸展开研究，具有重要的理论意义和实用价 值。 煤矿井下各类巷道有多钟保护措施，其中，通过留煤柱护巷是主要措施之一。井下 巷道表面移近状况、 矿井资源回收率以及煤矿开采的安全可靠程度等都与留设煤柱的尺 寸有关。煤柱的宽度直接影响着其自身以及所保护巷道的稳定性 [1]。煤柱越宽其稳定性 越好， 但通过对煤柱侧向支撑压力分布以及对所保护巷道围岩变形破坏特性的进一步分 析，发现并非留设煤柱越宽，巷道的维护效果就越好，而且宽煤柱会降低资源的采出率 [2]。当然，合理区段煤柱除了能保护回采巷道外，隔离采空区也是其基本作用之一，采 空区隔离的严密程度是矿井安全生产的重要因素之一。因此，煤柱的合理留设是矿井在 生产过程中经常遇到的问题，也是矿井安全生产技术的主要组成部分之一。 金鸡滩煤矿位于陕西省榆林市榆阳区境内，距城区 30km，矿井井型为 8.00Mt/a， 设计服务年限 87.4a。该矿交通方便，地势平坦开阔。井田地质构造相对简单，地层平 缓，总体趋势为向北西倾斜的单斜构造，倾角小于 1，趋于近水平。 井田范围内含煤地层位于延安组，可采煤层共 6 层。目前矿井开采 2-2 上煤，其可采 区内煤厚 3.009.40m，平均煤厚 8.53m，采用大采高综合机械化开采工艺，生产初期， 工作面区段煤柱宽度为 35m。在正常推进中，所留设的煤柱受 2 次采动影响后，其本身 变形情况不大，未发生彻底破坏现象，而且回采巷道的变形也很小，未发生破坏。于是 提出能否合理调整区段煤柱宽度， 以实现确保矿井安全高效生产并最大限度提高煤炭采 出率，减少资源损失。 鉴于此， 如何调整调整至多少米才为合理宽度便成为金鸡滩煤矿当前所面临的 西安科技大学工程硕士学位论文 2 一个重要技术问题。 1.1.2 研究意义 在国内，留设煤柱一直是矿井工作面正常推进时主要的护巷方式。一般情况下，该 种护巷方法主要是在相邻工作面的主运输巷和回风巷（上一工作面辅运巷）之间留设一 定尺寸的煤柱，使下一区段回风巷避开煤柱宽度方向上支承压力峰值区。然而，区段煤 柱的尺寸大小对工作面巷道保持稳定的影响是十分明显的。要是留设煤柱宽度很大，回 采巷道便会有较好的稳定性，但过宽的煤柱留设所造成的资源损失就会增多。因此，在 留设区段煤柱时，应同时考虑回采巷道的稳定性和煤炭资源的回收率，在保证工作面正 常推进的同时，使煤柱尺寸尽可能的小。所以，区段煤柱的合理留设对保证矿井安全生 产和最大限度的提高资源采出率有极其重要的意义。 目前，研究确定区段煤柱尺寸的方法主要有以下四种一是采取现场设站实测，采 集数据，测定采动影响下煤柱内应力分布状态及变形破坏状况，以此来判定煤柱宽度的 合理性并可优化工作面巷道的布置 [3]。二是根据弹塑性理论，推导得出计算煤矿宽度的 理论公式，带入参数后计算出其合理宽度[4]；三是结合工程实际，建立数值模型，选取 适合的有限元分析程序，赋参开挖后对施工过程进行模拟，由此来比选分析确定留设煤 柱宽度的合理性[5]；四是综合运用现场工业性试验、生产技术人员经验总结以及工程类 比等多种方法来分析检验并确定煤柱留设宽度。 本文主要以金鸡滩煤矿 2-2 上煤层大采高综采工作面为具体研究背景，从三个方面展 开对煤柱留设问题的研究，分别是理论分析计算方面、数值模拟分析方面和现场工业性 试验方面。研究成果对金鸡滩矿 2-2 上煤大采高工作面安全高效的回采、煤炭资源采出率 的提高以及在类似条件下矿井工作面区段煤柱的合理留设均具有非常重要的意义。 1.2 国内外研究现状及动态 1.2.1 大采高采煤技术研究现状及发展趋势 （1）国内外研究现状 自 20 世纪末以来，高新技术逐步向采矿行业领域渗透，美国、澳大利亚、英国、 波兰、德国等国先后采用了大功率可控传动技术、微机工况检测监控技术以及自动化控 制技术等多种高新先进实用技术， 研究生产出能适应大采高综采技术的高效大型采煤设 备，使得矿井生产发生了从普通机械化全高效集约化发展的实质性改变。新型综采装备 的各种性能都发生了重大改观，表现在设备传动功率的增大、设计生产能力的大幅度增 加以及可靠性的明显提升等多个方面。同时实现了综采生产过程的自动化控制，使得新 型采煤装备的选用为企业赢取了更好的技术支撑和经济效益[6]。 1 绪论 3 在我国，大采高综采技术的不断成熟是煤炭生产技术领域发展的必然趋势。近些年 来，随着大采高综采技术的快速发展，大采高安全高效矿井陆续建成并运转良好。实践 表明，建成后的此类矿井工作面生产能力提高了、井下人员数量减少了、安全状况改观 了、百万吨死亡率减小了。目前国内多数矿井已实现了“一井一面、一个盘区、一条生 产线” 的高效集约化运行模式。 我国大采高综采技术在一定程度上已趋于国际先进水平。 （2）发展趋势 当前，我国大采高综采技术发展趋向以及尚需解决的问题表现在以下几个方面 ①大采高的开采高度不断增大，由起先的 3.5m 到如今的 6.0m 左右，随着近年来 更高性能液压支架的研制成功，采高将进一步增大，大采高综采技术的适用范围将持续 扩大[7]。 ②大采高综采技术逐步由地质条件简单、煤层赋存较好的神东、榆神等矿区向煤层 赋存状况相对复杂的两淮、阳煤、潞安等矿区推广应用[6]。 ③随着开采高度的进一步增加， 工作面液压支架与围岩间的相互适应情况有别于一 般综采，工作面矿压显现明显，煤壁片帮、局部冒顶现象多有发生[8]。 随着大采高综采技术的持续发展，工作面煤壁片帮、成套综采设备选配、大采高液 压支架的安全性、支架-围岩相互适应调控、生产过程自动控制以及煤柱宽度的合理留 设等都是急需解决的问题[6]。 1.2.2 合理区段煤柱留设研究现状 国内外学者对区段煤柱留设课题的研究多集中在理论分析计算、 数值模拟分析以及 工程试验等 3 个方面。其中，理论计算主要是通过对已形成的理论体系分析推导，并结 合矿井实际，给出理论计算公式，由此为区段煤柱宽度的理论计算找到了依据；数值模 拟分析是采用有限元分析程序对在多种煤柱留设方案中分别模拟开采， 分析煤柱内应力 分布以及柱体变形特性，由此对比确定其合理宽度；工程试验主要是验证已形成的研究 成果在具体的工程环境中的应用效果，可采用现场设站布点实时跟踪监测检验，由此确 定区段煤柱合理宽度，或判定煤柱留设的合理性，以下从上述三个方面进行综合评述。 （1）理论研究方面 在区段煤柱留设理论研究方面， 国外学者研究较多， 也形成了不少的理论研究成果， 这主要是因为这些国家很早就对矿压控制技术展开了研究。在国内，我们的专家学者也 开展了很多的研究工作，并得到了多个实用性成果，但这些研究都是在国外研究成果的 基础上进行的。目前，国内外主要形成了以下几种理论 1有效区域理论 该理论的应用主要是以假设前提进行的。 假设煤柱可支承上覆煤岩层以及其两侧已 形成采空区上方全部的重量[13]，按照假设条件，在工程进行中分析煤柱的变形破坏情况 西安科技大学工程硕士学位论文 4 以确定其留设合理性。此理论的主要学者代表有罗兰、斯哥兰格埃特和理查德等，该 理论理解相对简单，容易操行，在实际生产中，对大巷煤柱和区段煤柱的留设设计指导 有重要的参考价值，但从适用条件来看，其适用范围有限，仅能在大范围开掘、煤柱尺 寸间隔很有规律或相同的条件下适用[14]。 2压力拱理论 该理论所提及的压力拱位于采空区上方。当工作面推进后，采空区顶板完全垮落， 此时，在其上部就形成了压力拱。压力拱的出现使得上覆岩层载荷重新分布，其中仅有 一小不部分直接作用在直接顶上，其余则向两侧前后方转移，此时前方煤柱则承担着部 分转移来的载荷。压力拱的特性主要受其内宽和外宽值的影响，而内宽的主要影响因素 又是采深和覆岩厚度，外宽的主要影响因素是覆岩的内部结构组成。当内宽大于工作面 长时，煤柱便会失稳，由此可判定煤柱留设的合理性。当内宽小于工作面长时，煤柱趋 于稳定状态，但随时间推移也会存在状态的变化。因此，此理论认为覆层载荷的分布具 有明显的时效性和复杂性 [15]。 3A.H.威尔逊理论 此理论是根据煤柱（体）各向异性的强度特性理论，依此分析研究判定煤柱的稳定 性并确定其合理宽度。和其它理论相比较而言，该理论弥补了多处缺陷，具有很强的可 靠性和实用性，得到了广泛的应用[16]。当然，也有美中不足之处，一些问题的存在在很 大程度上制约着它在其它地区的推广使用，比如参数的选取、经验算法的取值等。 4核区强度不等理论 为了确定煤柱核区范围内不同位置的强度， 格罗布拉尔把煤柱核区强度变化特性和 实际应力分布联系在一起。该理论对煤柱的宽度和外形比较看重，同时也认为煤柱核区 内各处强度不尽相同。由于媒体变形断裂后，会产生颗粒之间的相互摩擦，所以，即便 是煤柱核区范围内应力均值高于其极限值，煤柱也不会彻底失稳，但随时间的推移，煤 柱核区有可能出现和顶底板联结不实状况，进而引发煤柱鼓起、变形加大并超出工程允 许范围的现象[17,18]。 该理论固然有较严密的理论推导过程， 是一种精确的理论计算方法， 但它是以理想假设为前提的，并没有考虑到呈现非均匀性分布的采矿地质条件，而且所 推导出的理论计算公式相当复杂， 计算繁琐， 参数求取不易， 从而限制了它的普遍使用。 5极限平衡理论 科诺年可和阿尔拉买夫采用弹性力学中的三维模型分析方法， 在煤柱上表面与覆岩 底面结合处存在有完整粘聚力的前提下， 分析研究了不同外形的煤柱垂直方向上受力状 况，获得了有形煤柱顶面所受覆岩应力的分布状态[19]。 6平台载荷法理论 通常情况下，煤柱可划分为屈服区和核区两部分，其中核区会受到屈服区的制约。 以上第三和第四种理论正是以此为依据提出。 它们在实际应用当中表现出了其合理的一 1 绪论 5 面，同时也反映出来其不足之，即未考虑煤柱与顶板联结面粘聚力和内摩擦角的影响， 或是考虑了二者的影响但未对其进行全面阐述。鉴于此，吴立新等学者以上述提到的不 足之处为出发点，研究获得了平台载荷法理论，并据此推导出了煤柱宽度的理论计算公 式[20]。 7关键层理论 我国学者从力学特性和机理角度出发， 研究了覆岩运移规律， 提出来 “关键层理论” [21]。该理论从本质上能够解释煤柱留设的合理性。成果认为煤柱上方关键层的稳定性直 接影响着煤柱自承能力和变形情况，同时也对控制地表沉陷，保护地面建（构）筑物有 一定的指导作用。 除上述所列外， 我国学者还研究得出了在不稳定围岩条件下护巷煤柱合理宽度的经 验计算公式以及条带煤柱和采场应力分布随煤层倾角一致变化的规律[24]。 推导出了不同 方向弱面剪力强度及安全系数计算公式[22]和倾斜煤层护巷煤柱应力表达式[23]。 同时还分 析研究了影响走向条带煤柱稳定性的主要因素、条带煤柱的强度特性、煤柱侧向支承压 力分布变化情况[25]以及钻孔煤粉量变化规律和煤柱宽度方向上的支承压力分布规律间 的关系[26]等。所有这些理论成果的形成主要是以某工程背景为载体分析推导而成，或隐 含在工程实际问题中的计算推导形成的。 （2）数值模拟研究方面 随着计算机软件研发技术的不断提高， 适用于解决采矿复杂问题的分析程序也在陆 续研发形成并广泛应用。在实际使用当中也充分表现出了软件的实用性和便利性。 当前，煤柱体内存在屈服带以及其应力分布不均匀均已被证明，见图 1.1，然而， 威尔逊Wilson计算方法中屈服带宽度主要取决于自身强度、煤柱核区应力分布假设以 及部分技术参数的给定[27]。三维有限元分析是一种较有效的研究方法，这一方法可以通 过工作面推进过程中的支承压力分布变化，判定煤柱的稳定性，但这在很大程度上受材 料参数的选取和屈服准则的应用两方面的制约。Hsiun 和 S.S.Peng[28]采用有限元分析法 模拟分析了三种不同覆岩状况，得出了煤柱两侧的塑形变形情况与弹模比的变化有关， 两侧变化刚好相反。 西安科技大学工程硕士学位论文 6 图 1.1煤柱变形区及应力分布状态 1 弹性应力分布；2弹塑形应力分布； Ⅰ破裂区Ⅱ塑性区Ⅲ弹性区Ⅳ原岩应力区 梁兴旺、 王连国等学者利用 FLAC2D 计算机数值模拟软件， 模拟分析了皖北煤业祁 东矿 7-1煤层综合放顶煤工作面区段煤柱的留设问题，研究对不同宽度煤柱条件下回采 巷道的应力应变进行分析，从而确定了煤柱的合理宽度，对类似条件下工作面区段煤柱 的留设具有很高的参考价值[29]。 通常情况下，区段煤柱主要是以工程类比、经验公式以及力学理论为依据进行留设 设计的，但针对采矿环境下的理论分析往往与实际是有出入的，有时也为了研究需要， 对部分过程做了简化，致使研究结果不精确。 王永秀[31]等学者利用 FLAC3D数值模拟程序，对动、静态两种情况分别建模，分析 了冲击矿压条件下矿井留设的煤柱应力分布状态，得出了一些具有较高价值的研究结 论，为合理煤柱留设时提供了非常重要的理论参考。 特殊地质条件下的煤柱留设相对更为复杂。卢兴利[32]等人以工程实际为背景，采用 有限元分析程序建立数值模型，在复杂地质条件下，对煤柱的留设展开了模拟研究。分 析了留设不同护巷煤柱对工作面正常推进的影响， 同时也对采区顶板的支承压力进行了 模拟，形成了合理留设保护煤柱的理论体系，为复杂地质条件下矿井安全高效开采提供 了可靠的理论依据。 杨健彬、徐乃忠以淮南矿业公司，为了确定出工作面尾巷和回风顺槽间煤柱的合理 宽度，杨健彬等人利用 ANSYS 分析程序，以顾桥煤矿 11171工作面为载体，模拟分析 了多种留设煤柱在双巷道掘进时的变形情况和应力分布，得出了研究对象的合理尺寸， 为类似矿井条件下的巷道开凿提供了参考[33]。 刘海兵、罗利卜[34]根据神东公司大柳塔井田北部的三不拉采区实情，研究按介质为 弹塑性材料考虑，在拉格朗日算法的基础上，依据摩尔库伦屈服准则，采用三维有限差 分法对保护煤柱的变形破坏情况进行了研究，给出了采宽和留设煤柱宽度比例为 32。 1 绪论 7 研究成果可为工作面的回采设计提供指导。 鲍凤其[37]以泰丰煤矿 62煤层为工程背景，采用数值模拟的研究方法，对不同开采 技术参数条件下煤柱的变形破坏区、垂直和水平方向上的应力分布做了较全面的研究。 结果显示，柱体的变形破坏主要受媒体剪切而形成的，而且这一现象主要集中在煤柱外 形边缘靠帮的地方。当煤柱宽度留设合理时，表现出的主要特征是煤柱中部存在弹性核 区，能较好的支撑上覆岩层。 黄庆享、陈杰等人[38]结合神东公司活鸡兔煤矿生产实际，利用 ALGOR93 非线性有 限元分析程序，对在厚煤层开采条件下的工作面区段煤柱不乱性进行了研究，全面分析 了护巷煤柱力学特性，给出了合理的煤柱宽度。研究结果表明当前，利用计算机模拟 分析法仍然是解决复杂地质环境下采矿疑难问题的主要研究方法， 研究成果为同类生产 技术及地质条件下区段煤柱合理宽度留设提供了理论参考。 刘增辉等[39]人针对上榆泉矿，在拉格朗日算法基础上，采用三维有限差分法，利用 计算机分析程序模拟分析了该矿回采面正常推进至一定距离时， 回采前后不等长度位置 受动压影响后其侧向支承压力分布及巷道变形破坏特性，并依此给出了该矿 10煤综合 放顶煤开采工作面区段煤柱宽度范围为 16 到 20m。 秦广鹏等人[40]以南屯矿为研究载体，对工作面沿采空区所留设巷道进行稳定性研 究，采用数值模拟法，观测回采巷道围岩变形量、煤柱侧向表面水平移近量以及煤柱垂 直方向上受力分布及峰值大小等数据， 判定当前巷道塑形变形区的范围， 分析稳定状况， 给出煤柱的宽度以及合适的支护参数及方式。 通过分析， 得出了在一定生产技术条件下， 围岩变形特性、煤柱宽度以及回采巷道支护三者互为关系，这对南屯煤矿解决煤柱合理 留设和优化支护方案均具有一定的实际意义和适用价值。 （3）现场监测实测方面 由于回采巷道的稳定性能直接反映上一区段煤柱留设宽度的合理性，因此，其现场 实测主要集中在三个方面，分别为回采巷道表面位移变化实测、