近距离煤层群综放开采区段煤柱稳定性研究.pdf
第 4 2卷第 9期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 9 2 0 2 0年9月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nS e p . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 7- 0 2 ; 责任编辑 刘欢欢 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 9 . 0 5 6 作者简介 吕目晓( 1 9 6 6 ) , 男, 河南夏邑人, 高级工程师, 1 9 9 0年毕业于河南理工大学, 现从事矿井生产组织管理工作。 引用格式 吕目晓, 孟凡林. 近距离煤层群综放开采区段煤柱稳定性研究[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 9 ) 2 5 4 2 5 9 . L M u x i a o , M e n gF a n l i n . S t u d y o ns t a b i l i t y o f c o a l p i l l a r i nf u l l y m e c h a n i z e dt o pc o a l c a v i n g m i n i n g s e c t i o ni ns h o r t d i s t a n c e c o a l s e a mg r o u p s [ J ] . C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 9 ) 2 5 4 2 5 9 . 近距离煤层群综放开采区段煤柱稳定性研究 吕目晓1, 孟凡林2 ( 1 . 河南能源化工集团 新疆投资控股有限公司, 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 2 6 ; 2 . 库车县科兴煤炭实业有限公司, 新疆 库车 8 4 2 0 0 0 ) 摘要 为解决龟兹矿业5 号与3 号近距离煤层重复采动影响下区段煤柱失稳难题, 利用模拟试验结合 工业性试验的研究手段, 探究了区段煤柱在重复采动作用下的应力演化规律和区段煤柱尺寸因素作 用下的围岩应力分布情况, 阐释了区段煤柱宽度因素作用下巷道围岩损坏及位移规律。结果表明 近 距离煤层重复采动作用下, 设计煤柱宽度超过 6m有利于提高区段煤柱稳定性。研究成果在龟兹矿 业进行了工程应用, 对 A 5 0 2 运输巷围岩变形情况进行了实测, 实测结果验证了研究成果的有效性。 关键词 近距离煤层群; 煤柱; 应力集中; 采空区覆岩; F L A C 3 D 中图分类号 T D 8 2 3 . 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 9- 0 2 5 4- 0 6 S t u d yo ns t a b i l i t yo f c o a l p i l l a ri nf u l l y me c h a n i z e dt o pc o a l c a v i n g mi n i n gs e c t i o ni ns h o r t d i s t a n c ec o a l s e a mg r o u p s L M u x i a o 1, M e n gF a n l i n2 ( 1 . X i n j i a n gC o a l C o m p a n y , H e n a nE n e r g ya n dC h e m i c a l I n d u s t r yG r o u p , U r u m q i 8 3 0 0 2 6 , C h i n a ; 2 . K u q aK e x i n gC o a l I n d u s t r yC o . , L t d . , K u q a 8 4 2 0 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t A i m i n g a t t h e p r o b l e mo f p i l l a r s t a b i l i t y i nA 5 0 1s e c t i o nu n d e r t h e i n f l u e n c e o f m u l t i p l e m i n i n g i nN o . 5a n dN o . 3c l o s e s e a m s o f Q i u c i M i n e I n d u s t r y , t h e s t r e s s e v o l u t i o nl a wo f p i l l a r u n d e r t h e i n f l u e n c e o f m u l t i p l e m i n i n g a n dt h ei n f l u e n c el a wo f p i l l a r m i n i n gi n d i f f e r e n t w i d t hs e c t i o n s w e r e a n a l y z e db y c o m b i n i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o nw i t he n g i n e e r i n g p r a c t i c e , a n dt h e s u r r o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o n o f r o a d w a y u n d e r d i f f e r e n t p i l l a r w i d t hw a s o b t a i n e d . A n dt h e l a wo f p l a s t i c z o n e d e v e l o p m e n t . T h e r e s u l t s s h o w e dt h a t t h e s t a b i l i t y o f t h e c o a l p i l l a r i s b e t t e r w h e nt h e w i d t ho f t h e c o a l p i l l a r i s g r e a t e r t h a n 6mu n d e r t h e i n f l u e n c e o f m u l t i p l e m i n i n g i nt h e c l o s e c o a l s e a m . T h e r e s e a r c hr e s u l t s h a v e b e e na p p l i e di ne n g i n e e r i n g i nQ i u c i M i n e I n d u s t r y . T h e d e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n g r o c ki nA 5 0 2d o w n s t r e a mt r e n c h h a s b e e nm e a s u r e da n da n a l y z e d . T h e v a l i d i t y o f t h e r e s e a r c hr e s u l t s h a s b e e nv e r i f i e db y t h e m e a s u r e dr e s u l t s . K e y w o r d s s h o r t d i s t a n c ec o a l s e a mg r o u p s ; c o a l p i l l a r ; s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ; g o a f o v e r b u r d e nr o c k ; F L A C 3 D 0 引言 新疆阿艾矿区位于天山南坡中心地带, 探明煤 炭资源储量达 2 1 0 6万 t , 其煤种属优质炼焦配煤, 市场需求大、 效益高[ 1 2 ]。阿艾矿区大部分矿井开采 近距离煤层, 以龟兹矿业为例, 其开采工程难题之一 为区段煤柱受多重采动影响, 稳定性较差, 而煤柱稳 定性的主要控制指标为区段煤柱宽度。因此, 解决 近距离煤层开采区段煤柱宽度留设这一科学问题是 实现龟兹矿业高效安全开采的关键。 目前, 关于区段煤柱稳定性的研究主要有 在煤 柱所处应力场方面, 跟随采推进, 煤柱所处应力环境 先后经过煤柱一侧采空区应力环境与煤柱两侧采空 区应力环境[ 3 5 ], 表现出明显时间相关性; 在采矿活 动与地质因素影响方面, 煤柱稳定性与区段煤柱尺 寸和采动应力影响等因素密切相关[ 6 8 ], 并与采场埋 藏深度、 工作面采高、 煤层基础物理力学特性、 采矿 地质条件等因素有关[ 9 1 1 ]; 在控制方法方面, 单一煤 452 2 0 2 0年第 9期吕目晓, 等 近距离煤层群综放开采区段煤柱稳定性研究 第 4 2卷 层开采条件下, 张科学等[ 1 2 ]通过控制煤柱宽度控制 煤柱稳定性, 得到影响区段煤柱留设宽度的主要因 素有开采高度、 工作面长度、 煤柱尺寸和强度、 支护 强度、 顶板来压步距和充填工艺等。 由上述分析可知, 目前针对区段煤柱煤柱稳定 性的研究较多, 其控制方法主要为控制煤柱宽 度[ 1 3 1 5 ]。但是针对近距离煤层开采条件下综合放 顶煤开采的区段煤柱宽度留设研究还较少, 并且考 虑到影响煤柱宽度的因素很多, 还没有一种公认的 近距离煤层区段煤柱设计标准, 大多采用单一煤层 煤柱宽度经验公式[ 1 6 1 8 ]进行计算。区段煤柱的选 择必须结合实际情形进行确定, 通过现场实测来验 证。因此, 该文利用模拟试验与工程试验相结合的 手段确定近距离煤层区段煤柱留设的合理尺寸, 为 类似条件下近距离煤层区段煤柱宽度留设提供技术 借鉴。 1 矿井概况 龟兹矿业位于新疆阿艾矿区东北部, 井田内主 采煤层 4层, 其开采顺序为 6号、 5号、 3号、 2号, 煤 层倾角 3 ~ 2 5 , 煤层赋存比较简单。矿井核定生 产能力 0 . 9M t / a , 采用平硐暗斜井开拓方式和走 向长壁综合机械化放顶煤采煤方法。 龟兹矿业当前正在开采 5号、 3号煤层, 煤层间 距为 2 2m , 属于近距离煤层群, 层间岩层主要为中 砂岩、 粗砂岩和细砂岩, 以中砂岩为主。其中 5号煤 层为 4 5号气煤, 是优良配焦煤; 3号煤层煤质为硅 煤, 是优良的炭质还原剂, 广泛应用于工业制硅。 2 区段煤柱合理宽度设计 2 . 1 多次采动影响下煤柱应力演化 通常, 上行开采或下行开采为煤矿多煤层联合 开采常见开采形式[ 1 9 2 1 ]。上行或下行开采条件下, 区段煤柱一般为 2个工作面服务, 在其生命周期内 将历经 4次采动影响 实体煤掘进阶段、 上工作面回 采阶段, 上工作面采空区作用阶段以及下工作面回 采阶段。为迎合国内消费市场要求并增加龟兹矿业 生产利润, 设计 5号、 3号煤层逐替开采, 工作面开 采顺序依次为 A 5 0 1 、 A 3 0 1 、 A 5 0 2 、 A 3 0 2 。工作 面布置如图 1所示。 建立 F L A C 3 D近距离煤层采掘模型, 探究重复采 动作用下 A 5 0 1煤柱内部应力分布特征, 为科学解 决近距离煤层区段煤柱宽度留设提供理论依据。 图 1 5号、 3号煤开采采掘时空位置关系 F i g 1 T e mp o r a l a n ds p a t i a l p o s i t i o nd i a g r a mo f N o . 5 a n dN o . 3c o a l mi n i n g ( 1 ) 数值模型建立。掘进和回采过程中区段煤 柱应满足在多次采动作用下仍保持稳定性, 下面以 6m区段煤柱为例对重复采动作用下煤柱应力分布 特征进行分析。本文主要采用基于拉格朗日差分法 的模拟软件 F L A C 3 D对其进行分析。模型长 宽 高为 4 6 6 . 0m 5 0 0 . 0m 6 6 . 8m 。数值模型的前 后左右界限限制水平位移, 底部界限限制竖向位移, 上部不限制。前后左右保留了 4 0m边界煤柱。本 模拟采用摩尔库仑模型, 共 5 3 59 0 3个网格, 5 6 7 2 1 9个节点。模型煤岩层物理参数见表 1 。 表 1 模型煤岩层物理参数 T a b 1 P h y s i c a l p a r a me t e r s o f mo d e l c o a l a n ds t r a t a 名称 密度/ ( k g m- 3) 体积模 量/ G P a 剪切模 量/ G P a 黏聚力/ M P a 抗拉强 度/ M P a 内摩擦 角/ ( ) 细砂岩25 0 07 . 6 05 . 1 04 . 11 . 8 03 2 泥质砂岩20 0 05 . 0 06 . 0 02 . 11 . 6 03 2 3号煤14 0 0 1 . 1 93 . 6 81 . 60 . 1 02 8 中砂岩26 4 04 . 8 33 . 4 73 . 41 . 1 03 2 粗砂岩22 0 07 . 8 04 . 6 83 . 81 . 5 75 0 细砂岩25 0 07 . 6 05 . 1 04 . 11 . 8 03 2 5号煤14 0 0 1 . 1 93 . 6 81 . 60 . 1 02 8 中砂岩26 4 04 . 8 33 . 4 73 . 41 . 1 03 2 细砂岩25 0 07 . 6 05 . 1 04 . 11 . 8 03 2 进行数值模型初始地应力计算, 待最大不平衡 552 2 0 2 0年第 9期 能 源 与 环 保第 4 2卷 力稳定后基于下述方案开挖模型。主要开挖步骤 第 1步开挖 首先开挖 A 5 0 1工作面两巷; 第 2步开 挖( 巷道掘进阶段) A 5 0 2运输巷自采区边界掘进 6 0m , A 5 0 1工作面从切眼向前推进2 0 0m ; 第3步开 挖( 5号煤层首采面作用阶段) 同时掘进 A 5 0 2运 输巷、 回采 A 5 0 1工作面, 每次推进间距 2 0m , 预计 推进 4次; 第 4步开挖( 5号煤层采空区作用阶段) 同时掘进 A 5 0 2运输巷、 继续回采 A 5 0 1工作面, 推 进间距同上, 预计推进 3次; A 3 0 1工作面自开切眼 开始开挖6 0m ; 第5步开挖( 3号煤层首采面作用阶 段) 同时掘进 A 5 0 2运输巷、 继续回采 A 5 0 1工作面 和 A 3 0 1工作面, 推进间距同上, 预计推进 4次; 第 6 步开挖( 3号煤层采空区作用阶段) 同时掘进 A 5 0 2 运输巷、 回采 A 3 0 1工作面, 推进间距同上, 预计推 进 3次; 第 7步开挖 同时掘进 A 5 0 2运输巷、 回采 A 3 0 1工作面, 直至采区边界; 第 8步开挖( 5号煤层 接替面作用阶段) A 5 0 2工作面自开切眼开始开挖 6 0m 。 ( 2 ) 模拟结果。A 5 0 1区段煤柱在各个作用阶 段作用期间, 其煤柱内部应力分布如图 2所示。基 于以上模拟方案, 对各阶段区段煤柱应力分布特征 进行分析。 图 2 煤柱受力模拟结果 F i g 2 S i mu l a t i o nr e s u l t s o f c o a l p i l l a rs t r e s s ( 3 ) 煤柱内部应力演化规律分析。针对上述研 究, 得到各阶段煤柱垂直应力的分布及演化特征 ① 巷道由形成至废弃阶段, 煤柱垂直应力始终沿煤柱 两侧向煤柱中心线性增长, 随着 A 5 0 1 、 A 3 0 1 、 A 5 0 2 工作面逐渐开采, 煤柱应力峰值逐渐由 3 . 8M P a 增 大至 1 3 0M P a ; ②随着煤柱两侧工作面逐渐开采, 煤柱内部应力逐渐低于实体煤侧帮应力, 当煤柱两 侧工作面全部回采结束, 煤柱内部应力与实体煤侧 巷帮相比降低 6 6 . 7 %; ③根据各阶段煤柱峰值应力 分布情况, 将区段煤柱应力演化分为巷道掘进阶段、 5煤层首采面作用阶段、 5煤层采空区作用阶段、 3 煤层首采面作用阶段、 3煤层采空区作用阶段、 5煤 层接替面作用阶段 6个阶段, 各阶段煤柱应力逐渐 升高, 受对应工作面开采影响较大。 2 . 2 不同煤柱宽度下区段煤柱采动影响分析 针对多次采动下煤柱应力演化特征进行分析, 分析得知煤柱在一侧实体煤一侧采空时所受应力最 大, 只要煤柱留设尺寸能保证在这一阶段煤柱不损 害, 就能保证煤柱的保护。下面针对一侧实体煤一 侧采空阶段不同煤柱留设宽度下采动影响进行分 析, 确定合理的区段煤柱留设宽度。 利用 F L A C 3 D数值模拟软件对 A 5 0 1与 A 5 0 2工 作面之间不同宽度的区段煤柱内部应力分布及塑性 区变形规律进行分析。设计煤柱宽度分别为 4 、 5 、 6 、 7 、 8m五种方案。设计模型走向长( x 方向) 5 3 4 m , 倾向长( y 方向) 12 0 0m , 高度( z 方向) 6 6 . 8m , 模型四周限制水平移动, 底部限制其垂直及水平位 移, 顶部施加3 . 2M P a 垂直应力模拟上覆岩层载荷。 652 2 0 2 0年第 9期吕目晓, 等 近距离煤层群综放开采区段煤柱稳定性研究 第 4 2卷 所用模拟计算参数见表 1 。模型平衡后开挖, 得到 不同宽度区段煤柱内部垂直应力分布如图 3所示。 图 3 垂直应力分布 F i g 3 V e r t i c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n ( 1 ) 区段煤柱宽度从 4m增加至 8m时, 煤柱 内部垂直应力分布为不对称单峰, 区段煤柱内部应 力在接近巷一边远高于位于采空区的一边。区段煤 柱内部垂直应力的峰值也逐渐向巷道一边靠拢, 伴 随煤柱尺寸的加大, 峰值应力逐渐接近煤柱中心。 ( 2 ) 煤柱内部垂直应力伴随煤柱尺寸增长而增 加, 当区段煤柱宽度从4m增加至8m时, 垂直应力 峰值分别为 1 0 . 0 2 、 1 0 . 5 2 、 1 1 . 9 1 、 1 2 . 8 7 、 1 4 . 6 5 M P a 。由此可知, 煤柱的承载能力随区段煤柱宽度 的增加而增大。 得到各个宽度下全段煤柱下巷道围岩位移及塑 性区变形如图 4 、 图 5所示。由图 4和图 5可知 ① 设计煤柱尺寸低于6m情况下, 随煤柱宽度减少, 区 段煤柱及巷道围岩塑性区发育面积不断增大, 连通 煤柱内部塑性区, 煤柱两帮出现大变形、 承载能力急 剧下降, 不利于巷道支护和围岩稳定, 煤壁片帮及顶 板塌陷事故频繁; ②设计煤柱尺寸大于6m情况下, 随煤柱宽度增加, 煤柱内部弹性区范围不断增大, 可 达到煤柱宽度的 3 0 % ~4 0 %, 煤柱能承受较大压 力, 工作面围岩稳定性显著增强, 有利于回采巷道的 维护。确定煤柱留设宽度为 6m 。 图 4 巷道围岩位移曲线 F i g 4 D i s p l a c e me n t c u r v eo f r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k 图 5 煤柱塑性区分布 F i g 5 D i s t r i b u t i o no f c o a l p i l l a rp l a s t i cz o n e 752 2 0 2 0年第 9期 能 源 与 环 保第 4 2卷 3 现场应用 现场实测 A 5 0 1区段煤柱侧巷帮围岩变形量如 图 6所示。 图 6 8号测点监测结果 F i g 6 8号 mo n i t o r i n gr e s u l t s o f me a s u r i n gp o i n t s 测点监测结果表明, 围岩移近量主要受 A 3 0 1 和 A 5 0 2工作面影响, 在 3号煤层 A 3 0 1工作面开采 后、 5号煤层 A 5 0 2工作面开采期间, A 5 0 2胶带巷各 测点离层值均为 0 , 仅超前 5 0m范围内有明显变 形, 顶底及两帮移近量均在 8 0m m以内, 稳定性较 好。由此验证了 A 5 0 1工作面和 A 5 0 2工作面间的 区段煤柱宽度留设合理。 4 结论 ( 1 ) 龟兹矿业近距离煤层区段煤柱应力演化分 为巷道掘进阶段、 5煤层首采面作用阶段、 5煤层采 空区作用阶段、 3煤层首采面作用阶段、 3煤层采空 区作用阶段、 5煤层接替面作用阶段等 6个阶段。 ( 2 ) 近距离煤层开采条件下综合放顶煤开采的 区段煤柱宽度留设在6~ 8m时较为合理, 结合现场 布置, 设计区段煤柱宽度为 6m 。 ( 3 ) 分析了各个宽度煤柱受多重采动影响的稳 定性规律, 给定了近距离煤层群上下逐替同采模式 下煤层区段煤柱留设的准则。现场实测表明, 巷道 变形量稳定在 8 0m m以内, 实现了龟兹矿业近距离 煤层群的安全高效开采。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 徐宏顺, 陶瑞. 新疆库车县阿艾矿区主采煤层顶板处理实践 [ J ] . 中国煤炭地质, 2 0 0 9 ( 3 ) 2 4 2 5 , 8 4 . 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