煤炭资源开采区段煤柱尺寸数值模拟研究

１２. ９７ ２５. １２
０. ２４ ０. ２３
７. ５３ １２. １３
煤
４. ６９ ２９. ７３
５６. ２６
Βιβλιοθήκη Baidu
２０. １４ ０. ２６ ７. ８６
泥质粉砂岩 粘土岩
６. ４５ ３２. ８６ ８. ７７ ３４. ５９
５２. ０１ ５８. ６５
１４. １４ ０. ２７ １７. ５９ ０. ２３
８. ４３ ９. ５６
３ 数值建模 以 １１５１３ 工作面和 １１５１１ 工作面为建模背景ꎬ选取预留煤
柱宽度为 ４ｍ、６ｍ、８ｍ、１０ｍ、１２ｍꎬ５ 组数据进行模拟计算ꎬ研究 两个工作面挖掘后煤柱上测点的位移和应力变化ꎬ得到研究参 数和结果ꎮ
３. １ 开挖方案
表 １ 开挖方案
方案
方案一 方案二 方案三 方案四
方案 ５
煤柱宽度
燧石灰岩 泥质灰岩
８. ２３ ３４. １１ ０. ７９ ４５. ３
５０. ２ ９. ３
１２. ５８ ０. ２４ ２. ８６ ０. ２８
７. ８３ １. １３
灰色粉砂质泥岩 ９. ２ ３５. ２
５１. ３
１３. ２２ ０. ２３ ８. ５６
４ 云图分析
图 １ ４ｍ 测点布置图 １２０
图 ３ ６ｍ 应力图
柱的稳定性受多方面因素影响ꎬ其中煤柱强度是其稳定性的主
导因素ꎮ 一般煤柱强度主要决定于煤柱的宽高比、煤岩体岩性 以及煤层覆岩对煤层的压力等ꎮ[４ꎬ５] 国内外也对区段煤柱进行 了大量研究ꎬ柏建彪等[６] 计算分析了综放沿空掘巷围岩变形及
窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之 间的关系ꎻ谢广祥等[７ꎬ８] 通过理论分析、数值模拟、现场实测等
关键词:区段煤柱ꎻ合理宽度ꎻ数值模拟
１ 绪论 煤炭作为非常重要的矿产资源ꎬ其有效促进社会的快速发 展ꎮ[１] 特别在我国社会与经济快速发展中做出了重要的贡献ꎮ
开采过程中ꎬ预留科学合理宽度的煤柱用来保护工作面回采巷
道的安全与稳定ꎬ煤柱的区段宽度ꎬ不仅是衡量一个采区开采 率的一个重要标准ꎬ也是煤炭安全生产的一个重要指标ꎮ[２ꎬ３] 煤
表 ２ 岩层力学参数
岩性
粘聚力 / ＭＰａ
内摩擦角 /°
单轴抗压强度 / ＭＰａ
弹性模量 / ＧＰａ
泊松比
抗拉强度 / ＭＰａ
燧石灰岩
３. ３ ３９. ２
６３. ８５
８. ５４ ０. ４２ ８. ５７
灰色粉砂质泥岩 １４. ５９ ４７. ３９
粘土岩
３. ７５ ３８. ７４
７８. ６１ ５６. ８９
２３. ７６ １２. ５４
科技风 ２０２０ 年 １ 月
工程技术
不足支撑工作面ꎬ导致坍塌ꎬ所受应力变化和上覆岩层所受应 力变化是基本一致的ꎬ而 ６ｍ 所受应力达到峰值 ５８ＭＰꎬ但也只 有小部分ꎬ其他地方也发生了坍塌ꎮ 随着煤柱宽度增大所受应 力反而减小ꎮ 应力主要集中在煤柱中间ꎮ 并且有少部分的高 应力区ꎮ ８ｍ 之后应力变化都不大ꎬ８ｍ 最大应力为 ４５. ２Ｍｐａꎬ １０ｍ 最大应力为 ４６. ３Ｍｐａꎬ１２ｍ 最大应力 ４３. ５Ｍｐａꎬ所以留设的 煤柱至少大于等于 ８ｍꎮ
(２)Ｙ 方向上不同宽度煤柱位移变化对比图:
图 ４ ８ｍ 应力图
图 ５ ６ｍ 位移图
图 ６ ８ｍ 位移图 由 ６ｍ 垂直应力示意可知ꎬ工作面最大应力发生煤柱上ꎬ最 大值为 ４６. ８Ｍｐａꎬ工作面另一侧应力最大值发生在距离采空区 约 ７ｍ 处ꎬ最大值为 ４２. ３Ｍｐａꎻ８ｍ 规律大致相同ꎬ煤柱上最大应 力为 ４５. ２Ｍｐａꎬ工作面另一侧应力最大值 ４３. ５Ｍｐａꎮ 由 ６ｍ 垂直方向位移示意可知ꎬ工作面最大的变形发生在 工作面顶板处大约为 ４. ５ｍꎬ全部变形垮塌ꎮ 煤柱上的变形达 到 ３. ５ｍꎬ所以说 ６ｍ 煤柱不能很好的保护巷道ꎮ 而从 ８ｍ 垂直 方向位移示意可知ꎬ煤柱上最大变形只有 １. ５ｍ 左右ꎬ能够有效 的保持巷道的稳定性ꎮ ５ 对比分析 (１)Ｙ 方向上不同宽度煤柱应力变化对比图:
０. ３２ ０. ２５
１０. ９８ ７. ６６
灰色粉砂质泥岩 ９. ２６ 燧石灰岩 ７. ７８
３７. ９ ３３. ５
５７. １ ５０. ３５
１７. １２ ０. ２４ １２. ５３ ０. ２５
７. ８３ ７. ４７
灰色粉砂质泥岩 ５. ４６ ３２. １ 深灰粉砂岩 １４. ７８ ４７. ８５
５０. ８９ ８０. ２３
４ｍ
６ｍ
８ｍ
１０ｍ
１２ｍ
３. ２ 开挖工作面后在煤柱内部进行测点布置
取煤柱上方所有的点作为测点ꎬ分别为 ５、７、９、１１、１３ 个测
点ꎬ然后分析测点的应力和位移的变化ꎬ从而得到不同宽度煤 柱之间的变化规律ꎮ 如图 １:
３. ３ 区域柱状如图 ２ 所示
图 ２ 数值模拟模型 ３. ４ 岩层力学参数参照如下
２ 工程概况 贵州省大方县某煤矿属整合矿井ꎬ开采深度:５００ｍ—６００ｍꎮ
可采煤层有 Ｍ５１ 号煤层、Ｍ７３ 号煤层ꎮ Ｍ５１ 号煤层ꎬ位于龙潭组 中部ꎬ煤层上距龙潭顶界 ７０—８０ 米ꎬ下距 Ｍ７３ 煤层 ５０—６０ 米ꎬ 厚度稳定ꎬ煤岩肉眼特征为灰黑色深黑色半暗至半亮型煤ꎬ以亮 煤为主ꎬ夹镜煤和暗煤ꎬ细条带状结构ꎬ块状构造ꎬ似金属光泽ꎬ 贝壳状、阶梯状断口ꎬ煤岩硬度相对较大ꎬ整体上块度较好ꎮ 直 接顶板为粉砂岩、泥质粉砂岩ꎬ易风化崩解ꎬ遇水易膨胀、软化ꎬ 为不稳定顶板ꎮ 底板为粘土质粉砂岩、炭质粘土岩及粘土岩ꎮ 现开采 Ｍ５１ 号煤层二采区 １１５１３ 工作面ꎬ１１５１３ 工作面和 １１５１１ 工作面之间预留小煤柱护巷ꎬ为了保证覆岩稳定性ꎬ合理的煤柱 宽度为本文研究的重点ꎮ
方法ꎬ得出了综放面区段煤柱倾向支承压力的分布规律ꎮ 李 庆[９] 对区段合理煤柱宽度的数值模拟与研究让我们受到启发ꎬ 刘聚友等[１０] 对不同倾角煤层区段煤柱围岩变形进行了研究ꎮ
由于贵州地区喀斯特地区的特殊性ꎬ对于近距离煤层中煤柱宽 度合理性要做进一步研究和完善ꎮ 本文对煤矿开采过程中存 留的区段煤柱宽度等问题进行分析ꎬ并提出一些切实可行的措 施ꎬ保证采集煤矿的开采率的同时实现安全生产ꎮ
工程技术 ＤＯＩ:１０. １９３９２ / ｊ. ｃｎｋｉ. １６７１￣７３４１. ２０２００３０９９
科技风 ２０２０ 年 １ 月
煤炭资源开采区段煤柱尺寸数值模拟研究
汪承亮 刘 洁 周上苑 张 成
贵州理工学院矿业工程学院 贵州贵阳 ５５００００
摘 要:煤柱是保护巷道的重要手段ꎬ合理的煤柱宽度能保持工作面和巷道的稳定ꎮ 本文以实际工程概况为依据ꎬ对 Ｍ５１ 煤 层进行数值模拟研究ꎬ开挖 １１５１３ 工作面和 １１５１１ 工作面之间预留小煤柱护巷ꎮ 在模拟的过程中对不同宽度煤柱上测点的应力和 位移进行监测ꎬ为研究区段煤柱预留合理宽度提供实验参数ꎮ 通过模拟对比分析得知ꎬ６ｍ 和 ８ｍ 之间的位移和应力变化量最大ꎬ ８ｍ 之后变化不大ꎬ所以煤柱宽度为 ８ｍ 时最稳定ꎬ在更经济的条件下能够较好的控制巷道的稳定性ꎮ