急倾斜煤层巷道放顶煤开采合理区段高度研究.pdf

doi10. 11799/ce201407006 收稿日期2013 －07 －17 基金项目国家自然科学基金 51174142 作者简介刘跃东 1990 － ，男，山西宁武人，硕士研究生，主要从事煤矿开采技术、充填技术等方面的研究， E － mail 812774414 qq. com。 引用格式刘跃东，张东峰，樊勇． 急倾斜煤层巷道放顶煤开采合理区段高度研究 ［ J］ ． 煤炭工程，2014，46 7 16 －18，21． 急倾斜煤层巷道放顶煤开采合理区段高度研究 刘跃东，张东峰，樊勇 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原030024 摘要在弹塑性理论建立顶煤力学模型基础上，利用 FLAC3D软件建立大汉沟煤矿 5煤层 数值计算模型，并分析不同区段高度下顶煤应力、破坏特征，确定合理区段高度。现场工程实践 表明，煤体充分破碎，保证了顶煤回收率及巷道掘进率，区段高度选择合理。 关键词急倾斜煤层; 放顶煤; 数值计算; 区段高度 中图分类号TD823. 21 3 文献标识码A文章编号1671 －0959 2014 07- 0016- 04 Ｒesearch on Ｒeasonable District Sublevel Height for Top Coal Caving in Steep Seam LIU Yue － dong，ZHANG Dong － feng，FAN Yong College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China AbstractWith a mechanical model of top coal based on elastic － plastic theory，the numerical calculation model of 5 coal seam in Dahangou mine was established applying FLAC3Dsoftware，and the top coal stress and failure characteristics were analyzed under different district sublevel heights，to determine the reasonable district sublevel height．Field engineering practice showed that，the top coal was fully broken，ensuring the top coal recovery rate and roadway drivage rate，verifying the rationality of the district sublevel height． Keywordssteep coal seam;top coal caving;numerical calculation;district sublevel height 区段高度选择是否合理对急倾斜煤层巷道顶煤能否完 全放出有着直接影响［1 ］。绝大部分矿井在现场生产中凭借 技术人员的经验对区段高度进行估算，由于理论依据的缺 失，生产中往往遇到各种问题使得开采效果难以达到预 期 ［2 ］。若区段高度留设过大将导致顶煤不能完全放出，对 顶煤回收率产生影响;反之区段高度留设太小，虽然顶煤 能够基本放出，提高了顶煤回收率，但使得巷道掘进率进 一步增加。因此，合理区段高度应当满足在保证顶煤煤体 充分破碎并最大程度地被回收的同时选择最大区段高度。 1工程概况及煤岩物理力学性能 山西潞安集团潞宁大汉沟煤矿 5煤层厚度为 1. 20 ～ 14. 85m，平均厚度 6. 23m，水平厚度约 8. 0 ～ 10. 5m。5煤 层属于瓦斯煤层，煤层自燃倾向性为二类自燃，具有煤尘 爆炸危险。底板岩性以泥岩、砂质泥岩及细砂岩为主。顶 板以泥岩、砂质泥岩及细砂岩为主，局部可见灰白色石膏 状泥岩及粉砂岩。通过实验室测定 5煤层顶底板各岩层的 物理力学特性，测定参数结果详见表 1。 表 15煤层煤岩体物理力学性能参数 试件 抗拉强 度/MPa 抗压强 度/MPa 弹性模 量/GPa 泊松比 内聚力 /MPa 砂质泥岩3. 3552. 1319. 330. 305. 35 粉砂岩9. 3953. 3415. 400. 357. 25 中砂岩5. 5055. 3815. 430. 2610. 5 5煤4. 208. 2113. 500. 232. 03 中砂岩5. 6256. 3715. 720. 2810. 1 泥岩4. 7124. 8217. 500. 273. 12 细砂岩5. 3543. 3615. 740. 2610. 5 2顶煤破碎机理分析 在急倾斜煤层巷道放顶煤采煤法中，主要依靠矿山压力将 顶煤煤体破碎垮落，必要时须人工松动爆破辅助 ［ 3 ］。利用开掘 区段放煤巷道后形成的支承压力以及采空区边缘的支承压力将 顶煤煤体破碎垮落的采煤工艺即矿山压力作用破煤 ［ 4 ］。由此， 61 第46卷第7期 2014年第7期 煤炭工程 COAL ENGINEEＲING Vol. 46，No. 7 No. 7，2014 区段的理论长度即是两段支承压力带的宽度相加。 理论与实践证明，要确定合理的区段高度还须首先保 证顶煤煤体在矿山压力作用下进入应力极限平衡状态。 5101 工作面巷道放顶煤立面图如图 1 所示。 图 1 5101 工作面巷道放顶煤立面图 3应力极限平衡区高度的计算 3. 1放煤巷道应力极限平衡区高度 放煤巷道经开挖后，原岩应力状态被打破，巷道周边 围岩应力重新分布。首先，巷道两侧煤体产生变形并破坏， 并向深部一直发展到弹性区边界终止。假设 有正应力 σy与剪应力 τxy，存在于煤体与顶底板滑移 面上，且应力之间满足应力极限平衡基本方程。正应力 σy 与剪应力 τxy关系如图 2 所示。 x1 MA 2tanφ0ln kγHcosα 2c0－ Mγ0sinα 2tanφ 0 [ / 2c0－ Mγ0sinα 2tanφ0 Px ] A 1 式中M 煤层厚度，m; A 侧压系数; α 煤层倾角， ; H 采深，m; φ0 煤层界面内摩擦角， ; c0 煤层界面的黏聚力，MPa; k、k 应力集中系数; γ 上覆岩层平均容重，kN/m3; γ0 煤层平均容重，kN/m3; Px 支护阻力。 图 2正应力 σy与剪应力 τ xy关系图 由式 1 可知，顶煤极限平衡区的高度与 M、H、φ0、 c0、Px等因素有关，煤层厚度 M、采深 H 越大，顶煤极限 平衡区段高度越大，煤层界面力学参数 φ0、c0及支护阻力 Px对顶煤极限平衡区的高度也将产生重要影响。 3. 2顶煤上部采空区边缘极限平衡区高度 在高应力作用下，依据煤柱中应力分布情况，上区段采 空区一侧由煤体边缘到放煤巷道周围，出现由塑性区、弹性 区到原岩应力区的过渡，区段上部回风巷道周围的煤体中产 生弹性变形 ［5 ］。如图 3 所示，其中 Ⅰ 、 Ⅱ 、Ⅲ、Ⅳ分别为破裂 区、塑性区、弹性区应力升高部分和原始应力区。 图 3煤体的弹塑性变形区及应力分布 区段内煤体的承载能力沿着上区段采空区一侧煤体边 缘有明显增长趋势，并且到距离边缘一定的宽度时，煤体 达到承载能力极限平衡状态。煤体的承载能力峰值与边缘 之间的距离 x2，即为塑性区的宽度 x2 M 2εfln kγHcosα ccotφ ε p1 ccotφ 2 式中P1 采空区巷道支架对煤帮的支护阻力，kPa; f 煤层与顶底板接触面摩擦系数; ε 三轴压力系数，ε 1 sinφ 1 － sinφ; c 内聚力，MPa。 3. 3顶煤最大分段高度 分析图 4 可以得出，区段中部的一段煤体在上述两个 应力极限平衡区相距一定宽度的情况下仍可以处于原岩应 力状态，煤体整体保持稳定状态。因此，煤体所处的状态 受两个应力极限平衡区峰值距离的影响很大。由相关理论 可知，当整个煤体处于极限平衡状态时，两个应力峰值之 间的距离为煤层厚度的 2 倍 ［6 －10 ］。如图 4 所示，顶煤处于 应力极限平衡状态的最大高度 L 为 L x1 2M x2 3 其中 x1 MA 2tanφ0ln kγHcosα 2c0－ Mγ0sinα 2tanφ0 2c0－ Mγ0sinα 2tanφ0 Px         A x2 M 2εfln kγHcosα ccotφ ε p1 ccotφ 71 2014 年第 7 期煤 炭工程设计技术 图 4应力极限平衡状态顶煤的应力分布 综上所述，当顶煤的分段高度低于 L 时，在矿山压力 的作用下整个煤体将处于不稳定状态，顶煤是可放的。即 L 为顶煤的最大分段高度。 4合理区段高度数值模拟分析 5煤层为井田内主要可采煤层，倾角一般 34 ～ 68， 平均倾角 50。5煤层煤厚 1. 20 ～14. 85m，平均6. 23m，水 平厚度约 8. 0 ～10. 5m。 5煤层采用巷道放顶煤采煤法开采， 全部垮落法管理顶板。在进行数值模拟时，开掘运巷和风 巷两条巷道 30m，模型尺寸为长 宽 高 44m 30m 30m。模型的四个侧面为位移边界，限制水平位移，底部为 固定边界，限制水平位移和垂直位移。模型划分 154560 个 单元，163587 个结点。 5煤巷道放顶煤工作面数值分析模型如图 5 所示。 图 55煤综放工作面数值分析模型 模型模拟 5煤层厚 6m，煤层倾角 50，工作面顶板 14. 0m，底板 15. 3m，上覆岩层的重力按均布载荷施加在模 型的上部边界。图 5 中上部巷道为放顶煤风巷，下部为运 巷，两巷之间为巷道放顶煤工作面合理区段高度的模拟共 有四个方案，分别为 10m、12m、14m、16m。 4. 1不同区段高度下煤层变屈服破坏分析 如图 6 a、b、c、d 所示，分别为区段高度为 10m、 12m、14m 和 16m 时区段煤层屈服破坏情况。 从图 6 中可以看出，区段煤层以剪切破坏为主，巷道 围岩塑性破坏呈不对称分布，煤体侧巷帮破坏范围较大。 图 6不同区段高度煤层屈服破坏情况 图 6 a 、图 6 b 、图 6 c 中，巷道围岩塑性破坏区范渐 减小，区段煤体塑性区范围减小，但煤体塑性破坏区都处 于贯通状态，破坏效果都比较明显;图 6 d 中，风巷左帮 出现 1. 5m 的塑性破坏，右帮出现 4. 0m 塑性破坏，运巷左 帮出现 4. 0m 塑性破坏，右帮出现 1. 5m 塑性破坏，煤体塑 性破坏区未贯通，采用巷道放顶煤开采时，煤体不易垮落， 资源采出率低。综合考虑煤炭资源的采出率和回采工艺简 单化，区段高度为 14m 时最为合理。 4. 2不同区段高度下煤层垂直应力分析 如图 7 a、b、c、d 所示，分别为区段高度为 10m、 12m、14m 和 16m 时区段煤层垂直应力分布特征。 图 7不同区段高度煤层垂直应力分布特征 由图 7 中可以看出，运巷围岩垂直应力明显高于风巷 围岩垂直应力，并且由于煤层倾角的存在，巷道两侧垂直 应力呈不对称分布，巷道左侧垂直应力高于巷道右侧垂直 应力。图 7 a 、图 7 b 、图 7 c 中，风巷垂直应力范围 与运巷垂直应力范围均可贯通，双巷之间煤体发生塑性破 坏，采用巷道放顶煤开采时煤层必将垮落，利于放顶煤的 开采;图 7 d 中，风巷垂直应力范围与运巷垂直应力范围 未贯通， 区段煤层内存在一定的弹性区， 双巷之间煤体未 下转第 21 页 81 设计技术煤炭工程2014 年第 7 期 一般泄水孔设在暗涵的侧面，如图 5 所示。 图 5拱涵的反滤层及泄水孔 cm 4结语 南方露天煤矿地下水丰富、降雨量大，应用排土场暗 涵工程的煤矿较多，但本工程同样适合于北方露天煤矿的 排土场，尤其适用于有泉水出露的排土场，在北方的缺水 地区，可将本工程与供水工程相结合，有效地利用排土场 内的泉水。暗涵工程的应用具有广泛的实用性，尤其对南 方露天煤矿排土场的防排水安全工程具有很大的现实意义 和指导作用。 参考文献 ［ 1］金钟集，石明． 现代尾矿设施设计与管理维护技术及尾 矿资源综合利用实用手册 ［M］． 北京当代中国音像出版 社，2010． ［ 2］田文旗，薛剑光 . 尾矿库安全技术与管理 ［M］． 北京煤 炭工业出版社，2006． ［ 3］昆明煤炭设计研究院． 云南先锋煤业有限公司先锋露天煤 矿扩建工程初步设计 ［Ｒ］． 昆明昆明煤炭设计研究院， 2010． ［ 4］李善，傅达聪． 煤炭工业企业总平面设计手册 ［ M］． 北 京煤炭工业出版社，1992． ［ 5］铁道部第一勘测设计院． 铁路工程设计技术手册 ［ M］． 北 京中国铁道出版社，1992． ［ 6］交通部第二公路勘察设计院． 公路设计手册路基 第二稿 ［M］． 北京人民交通出版社，1997． ［ 7］徐永祺，朱积庆． 小型工程水力计算 ［M］． 北京水力电 力出版社，1995． ［ 8］骆卫锋，丘兴运，曾影森．河涌工程暗涵施工技术实例 ［J］． 今日科苑，2009 12 135． ［ 9］单宝艳，张军． 工程给排水设计风险的模糊层次综合评价 ［J］． 建筑经济，2007 S2 324 －327． ［ 10］黄劲松，张铁军． 浅谈我国露天矿区污水处理及污水资源 化 ［J］． 煤炭工程，2003 1 47 －49． ［ 11］欧阳建，付云升，韩宇． 浅埋暗挖技术在南水北调工程中 的应用 ［J］． 建设科技，2005 1 36． 责任编辑杨蛟洋 櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗 上接第 18 页 完全发生塑性破坏，采用巷道放顶煤开采时煤层不能全部 垮落，不利于放顶煤的开采。 综合以上数值模拟结果分析得出大汉沟矿区段高度为 14m 时，顶煤破碎，有利于利用巷道放顶煤开采。 5结论 1数值模拟结果区段之间煤体以剪切破坏为主，双 巷巷道围岩塑性破坏呈不对称分布。巷道围岩塑性破坏区 与区段煤体塑性区范围随着区段高度的增大而减小，当区 段高度为 10m、12m 和 14m 时，煤体塑性破坏区可处于贯 通状态;当区段高度达到 16m，煤体塑性破坏区未贯通。 2模拟区段高度并没有考虑爆破因素，爆破对合理区 段高度的影响未做具体分析，需进一步研究。 3截止 2012 年 12 月底，大汉沟矿一共回采了 2 个工 作面，安全出煤 72000t，工作面平均日产 200 ～ 300t，其中 最高日产达 350t，应用效果较为显著。另外，急倾斜煤层 巷道放顶煤对于开采技术条件差、采煤方法难以选择的矿 井具有十分重要的意义，是一种值得推广应用的采煤方法。 参考文献 ［ 1］刘 洋． 急倾斜巷道放顶煤区段高度及垮落规律研究 ［D］． 哈尔滨黑龙江科技学院，2011． ［ 2］朱川曲，陈良棚． 急倾斜煤层巷道放顶煤开采顶煤可放性 评价 ［J］． 焦作工学院学报，1997，16 6 1 －5． ［ 3］王卫军，侯朝炯，熊仁钦．急倾斜煤层放顶煤分段高度的 合理确定 ［J］．岩石力学与工程学报，2011 3 355 － 358． ［ 4］古江林． 急倾斜煤层巷道放顶煤基本参数实验研究 ［D］． 西安西安科技大学，2011． ［ 5］金珠鹏，张继忠． 大乘煤矿急倾斜煤层巷道放顶煤采煤法 区段高度研究 ［J］． 矿冶，2012，21 3 8 －11． ［ 6］陈炎光，陆士良． 中国煤矿巷道围岩控制 ［M］． 徐州中 国矿业大学出版社，1994． ［ 7］张剑． 强烈动压影响瓦排巷围岩控制技术研究 ［J］．煤 炭工程，2013 2 34 －37． ［ 8］侯玮，霍海鹰，田端信，等．整合矿采空区掘进巷道围 岩综合控制技术研究 ［J］． 煤炭工程，2013 1 96 －98， 102． ［ 9］张农． 巷道滞后注浆围岩控制理论与实践 ［M］．徐州 中国矿业大学出版社，2004． ［ 10］徐永圻． 煤矿开采学 ［M］．徐州中国矿业大学出版社， 1999． 责任编辑郭继圣 12 2014 年第 7 期煤 炭工程设计技术