错层位工作面上覆岩层的结构分析.pdf

第36卷第5期 煤 炭 科 学 技 术 Vol136 No15 2008年5月COAL SCIENCEAND TECHNOLOGYMay 2008 错 层 位 工 作 面 上 覆 岩 层 的 结 构 分 析 王立先 1 ,王 飞 2 ,刘鹏程 3 11淮南矿业集团有限责任公司 潘三矿,安徽 淮南 232096;21中国保利集团公司 保利能源控股有限公司,北京 100010; 31中国矿业大学 北京资源与安全工程学院,北京 100083 摘 要应用理论分析、数值模拟等方法,对错层位工作面与传统放顶煤工作面上覆岩层的结构进 行分析,得出错层位巷道布置下工作面新的上覆岩层的结构,即L形垮落方式和基本顶呈悬壁梁 状的破断传递;得出错层位工作面上覆岩层易垮落,较传统放顶煤工作面上方易垮落区域面积要 大,而且高度约有100 m;由于接续工作面的连续推进,使得接续工作面上覆岩层的垮落与首采工 作面垮落的岩层连与一个更大的梯形区域,而且梯形区域的高度有120 m左右。 关键词错层位;上覆岩层;结构分析;数值模拟 中图分类号TD322 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2008 05 - 0024 - 04 Structure ana lysis on stra ta above coa lm i n i ng face i n dislocated seam WANG Li2 xian 1 , WANG Fei 2 , LI U Peng2cheng 3 1.PansanM ine, Hua inan CoalM ining Group Corpora tion Ltd . , Hua inan 232096,China; 2.Poly Energy Holding Co mpanyLtd. , China Poly Group Corpora tion, Beijing 100010, China; 3.School of Resources and Safety Engineering, China University ofM ining and TechnologyBeijing, Beijing 100083, China Ab stract W ith the theoreticalanalysis, numerical si mulation and others, the paper analyzed the strata above the coalmining face in dislocated sea m and conventional top coalcavingmining face. The analysis results showed that the above new strata structure of the coal mining face in the dislocated seam were in L falling type and the basic roofwas in a suspended beam for breaking trans mission.The results showed that the strata above the coalmining face in dislocated seam were easy to fall down and the falling area would be larger than the conventional top coal caving mining face .The falling heightwould be about 100 meters . Due to the continued advancing of the connected coalmining face, there would be a more large ladder type area between the falling area in the strata above the connected coalmining face and the falling strata of the first coalmining face and the heightof the ladder type area would be over 120 meters . Key words dislocated seam; strata above mining face; structure analysis; numerical simulation 在我国,综放开采是具有高产高效的成熟的采 煤方法,但是仍然存在一些需要解决的问题。其 一,传统放顶煤工作面支承压力峰值从中部向两端 逐渐减少,约呈抛物线形分布,因而造成工作面沿 长度方向具有不同的顶煤压裂效果;其二,传统放 顶煤区段间留有一定的护巷煤柱,并且工作面端头 不放顶煤,因此造成资源的巨大浪费。无论是工作 面支承压力还是护巷煤柱的留设,其根本原因是受 到工作面上方岩层的断裂运动引起的,因而掌握工 作面上方基本顶岩层的断裂形式是十分重要的。 1 错层位巷道布置采煤法概述 [ 1 ] 错层位采煤法的特点是既可以分层又可以一次 采全高的厚煤层,同时还将工作面的区段进风 运输巷与区段回风巷分别布置在厚煤层的不同 层位上。其中,区段进风运输巷沿煤层底板 布置,区段回风巷沿煤层顶板布置。下区段运输巷 在上一工作面稳定的采空区下掘进。具体布置方式 如图1所示。 1 区段进风 运输巷;2 上区段回风平巷;3 丢失的 三角煤柱;4 下区段运输巷;5 区段回风巷 图 错层位巷道布置系统示意1 42 王立先等错层位工作面上覆岩层的结构分析2008年第5期 如图1所示,错层位巷道布置与传统放顶煤巷 道布置相比,大幅度提高了工作面端头煤炭采出 率,将传统放顶煤损失量很大的 “T”字形煤柱变 为损失量很小的三角煤柱;立体化布置巷道有利于 工作面通风和瓦斯的排放。 2 传统放顶煤基本顶断裂结构分析 众所周知,工作面的来压与坚硬基本顶岩层的 破断运动有关,而基本顶来压将对顶煤压裂起重要 作用。根据基本顶运动的悬板理论知,顶悬板呈 OX的破断特征,如图2所示。 图2 基本顶断裂的基本形态 研究表明,基本顶的破断沿工作面方向呈弧 线,如图3所示,即工作面两端呈弧形向采空区延 长,从A-A剖面来看,工作面两端基本顶破断呈 悬臂,中部顶板下沉铰接,随着工作面加长,中部 顶板会继续破断下沉,这种运动特征造成中部的顶 煤压裂效果好,而两端压裂效果差,亦即顶煤冒放 性中部好于两端。 另外,理论上分析悬板破断总是从最大弯矩开 始,工作面中部弯矩最大,破断从中部向两端延 展,端头弯矩近于零,故向采空区延伸形成断裂, 周边近似O形,端部呈扇形的破断状况。 图3 基本顶破断形式 3 错层位下上覆岩层断裂结构分析 [ 2 ] 错层位巷道布置作为一种立体化的布置系统, 其首采工作面的应力分布、垮落形式、基本顶断裂 形式等与传统放顶煤首采工作面是几乎没有太多区 别。但在接续工作面从掘巷开始就与传统放顶煤有 本质的区别。错层位巷道布置的首采工作面基本顶 形式同样适合于基本顶的OX理论,如图4a所示。 在首采工作面初次来压后,上部基本顶呈现三面固 支形态,如图4b所示。随着工作面的回采完毕, 上覆岩层垮落、稳定。 图4 错层位巷道布置下基本顶垮落的几种形式 对于错层位接续工作面,由于在交错区域内上 下工作面采空形成一个非固支的断面,所以接续工 作面从一开采就是呈三面固支的情况图5。接 续工作面基本顶初次来压垮落之后,基本顶呈两相 邻自由,两相邻固支的结构图4c、图5。 图5 上下工作面之间的基本顶断裂模式 如图6所示,错层位接续工作面从一开始,基 本顶的破断顺序在工作面平面图上呈 “L”形,即 错层位巷道布置工作面端头和中部的垮落效果是一 样的,端头的冒放性和中部的冒放性是充分的。从 A-A剖面看出,即从工作面接续端开始基本顶呈 悬臂状,随着工作面的不断向前推进,基本顶向前 垮落,直到工作面推进到起坡段左右时,基本顶依 然呈悬臂状,但不会完全垮落,随着下一区段工作 面的接续开始,基本顶破断向前继续传递。错层位 放顶煤基本顶的这种运动特征,造成工作面与上一 区段接续端、中部的顶煤压裂效果好,与下一区段 图6 错层位巷道布置时基本顶破断形式 52 2008年第5期 煤 炭 科 学 技 术 第36卷 接续端效果稍差一点,但是在与下一区段衔接上以 后,工作面基本顶完全破断。即错层位放顶煤与传 统放顶煤在端头的冒放性方面,已经有很大效果的 改善。 4 数值模拟研究 411 FLAC 3D概述 FLAC 3D Fast Lagrangian Analysis ofContinua in 3 Dimensions是采用P1A1Cundall提出的一种显 式时间差分解析方 法,由美国Itasca Consulting Group Inc1开发并首先使用的著名三维岩土工程计 算软件,计算程序建立在三维快速拉格朗日算法基 础上,主要用于岩土和采矿工程的数值模拟计 算 [ 3 ] 。 412 模型的建立 以西山镇城底矿22202工作面为背景,该工作 面沿倾斜长壁布置,所采煤层为2 - 4号煤层,煤 层倾角2～6,平均4,采用错层位巷道布置全高 开采采煤法。地面标高为1 174～1 260 m,工 作面标高为810～ 880 m,工作面长度为125～ 162 m,走向推进长度为680m,煤层平均总厚度为 418 m,密度为1137 t/m 3。回采巷道埋藏深度为 210～250 m,试验取其平均值230 m。 三维计算模型的长、宽、高仍分别设置为360 m、200 m和200 m。共 划分102161个 单 元, 113131个结点。模型的上部施加上覆岩层的自重 应力。计算采用莫尔-库仑屈服准则。计算机采用 的岩石力学参数见表1。 表1 镇城底矿煤岩相关参数 名 称岩性密度/gcm - 3 体积模量/GPa剪切模量/GPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/ 基本顶砂质泥岩2135415021890175018535 直接顶细砂岩2150410021500150016035 煤层煤1137110001601100018030 直接底砂质泥岩21351010061008150612035 老底粉砂岩2140915051708175610035 根据工作面的实际情况和研究重点的不同,三 维计算模型网格的划分是不等分的,数值计算模型 的网格划情况如图7所示。 图7 错层位工作面端头模型 413 塑性分析 根据理论分析与实际模拟计算,在错层位接续 工作面上方,出现一个平行四边形状的塑性变化区 域。顶煤发生较大的拉破坏,形成垮落带。顶板发 生拉破坏不大,出现断裂带和弯曲下沉带。这时错 层位巷道布置下的顶煤板变化规律与传统放 顶煤出现明显的不同。这主要是由于错层位巷道布 置系统下顶板的垮落呈现出一种悬壁梁结构,不同 于传统放顶煤下顶板的固支梁结构。而且工作面端 头顶煤随着接续工作面的回采,已全部垮落。 图 首采工作面推进时垂直应力分布 414 应力分析 图8是工作面推进40 m时沿倾斜方向的垂直 应力分布图。从图8中看出,最大应力为25 MPa, 主要集中在工作面巷道的两侧。工作面上方有一不 规则梯形状区域,且该区域应力值较小于其他区 6 840 m 2 王立先等错层位工作面上覆岩层的结构分析2008年第5期 域,说明在上覆岩层作用下,顶煤板已发生 破坏,导致该处应力降低。即从另一角度可以说明 该区域为工作面上覆岩层易垮落区域,而且较传统 放顶煤工作面上方易垮落区域面积要大,而且高度 也大,约有100 m多。 图9为错层位接续工作面推进40 m时垂直应 力分布。从图9中看出,最大应力为20 MPa,主 要集中在工作面两侧面端头处。在首采工作面与接 续工作面上方呈现出一梯形区域,且起坡带垮落角 要略小于工作面另一端;较其他区域相比该处应力 不大,为应力降低区。说明该区域顶煤已经发生垮 落,形成垮落带、顶板形成断裂带与弯曲下沉带。 与错层位首采工作面垂直应力分布图相比,由于接 续工作面的连续推进,使得接续工作面上覆岩层的 垮落与首采工作面垮落的岩层连与一个更大的梯形 区域,而且梯形区域的高度有120 m左右。 图9 接续工作面推进40 m时垂直应力分布 5 结 论 通过与传统放顶煤基本顶结构分析比较,并应 用数值模拟软件FLAC 3D计算分析 ,得出如下结论 1错层位接续工作面从一开始,基本顶的破 断顺序在工作面平面图上呈 “L”形,而非传统放 顶的抛物线形分布。 2错层位下工作面接续端开始基本顶呈悬臂 状,随着工作面的不断向前推进,基本顶向前垮 落,直到工作面推进到起坡段左右时,基本顶依然 呈悬臂状,但不会完全垮落,随着下一区段工作面 的接续开始,基本顶破断向前继续传递,直至工作 面基本顶完全破断。 3对塑性图分析后,得出错层位巷道布置系 统下顶板的垮落呈现出一种悬壁梁结构,不同于传 统放顶煤下顶板的固支梁结构,而且工作面端头顶 煤随着接续工作面的回采,已全部垮落。 对首采工作面应力分析后,得出错层位工 作面上覆岩层属易垮落区域,而且较传统放顶煤工 作面上方易垮落区域面积要大,而且高度也大,约 有100 m。 5与错层位首采工作面垂直应力分布图相 比,发现由于接续工作面的连续推进,使得接续工 作面上覆岩层的垮落与首采工作面垮落的岩层连与 一个更大的梯形区域,而且梯形区域的高度有120 m左右。 参考文献 [ 1] 赵景礼.厚煤层全高开采新论[M ].北京煤炭工业出版 社, 2004. [ 2] 王 飞.错层位巷道布置下工作面端头冒放性研究[ D ]. 北京中国矿业大学 北京,2007. [ 3] 刘 波,韩彦辉 美国. FLAC原理、实例与应用指南 [M ].北京人民交通出版社,2005. 作者简介王立先 1980 -,男,内蒙古通辽人,助理工程 师,现为淮南矿业集团潘三矿掘进一队技术员。联系人王 飞, Tel13811802214,E - mailwangf010sohu1com 收稿日期 2008 - 01 - 18;责任编辑曾康生 煤炭科技名词的规范使用 煤炭加工 coal processing 为提高煤质或煤炭利用价值以获得适合不同需 要的商品煤或煤制品,应用各种[机械、物理、 化学等]方法对原煤进行的处理工作。 煤炭综合利用 coal utilization, comp rebensive utilization of coal 对煤炭深加工得到多种产品以提高煤炭利用价 值,或对低热值煤,矸石、煤层或围岩中伴生或共 生的矿物或元素,煤层气以至粉煤灰等进行的回 收、提取和加工利用的工作。 选煤 coal p reparation, coal cleaning 曾称 “ 洗煤 ” 。将采出的煤经人工和机械处理 除去非煤物质,并按需要分成不同质量、规格产品 的过程 。分 “ 干法选煤dry coal preparation” 和 “ 湿法选煤wet coal preparation”两种。 待续 4 72