057煤矿开采2015年第2期-26-块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索

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图 2 顶煤体三维直角坐标和球坐标系
综放工作面开切眼形成时,开切眼处顶煤体受 到支护,没有实际意义上的临空自由面。当工作面 推进一段距离后,支架后方顶煤暴露范围逐渐加 大,在矿山压力、支架反复支撑及煤体自身重力作 用下,顶煤体内产生不同产状节理裂隙面,这些节 理裂隙面将顶煤体切割成相互铰接的不同块体。
[摘 要] 坚硬特厚煤层采用综放开采时,顶煤受到节理裂隙面的截割,将形成相互耦合的块 体,当顶煤下方形成临空面时,部分顶煤块体将首先出现垮落。针对此情况,结合现场钻孔窥视运用 块体理论研究方法,分析顶煤体受到的截割状况。从块体沿着单一节理面的垮落和双节理面的垮落类 型出发,分析其运动关系和动力关系,得到块体滑动垮落与节理面内摩擦角,及其与滑动垮落方向的 关系式,为坚硬特厚煤层顶煤垮落分析提供新的研究角度。
( 正对工作面) 垮落; 由 s18 < 0 知顶煤块体朝向 x
轴正向和 y 轴正向垮落,即朝向支架放煤口的左下
方 ( 正对工作面) 垮落; 由 s27 < 0 知顶煤块体朝
向 x 轴负方向和 y 轴负方向垮落运动,实际垮落时
偏向支架方向; 由 s28 < 0 知顶煤块体朝向 x 轴正方
向和 y 轴负方向垮落运动,垮落时偏向支架方向;
[收稿日期] 2014 - 10 - 18
[DOI] 10. 13532 / j. cnki. cn11 - 3677 / td. 2015. 02. 004
[基金项目] 天地科技股份有限公司科技创新基金项目: 新疆巨厚煤层高强度开采关键技术研究 ( KJ - 2014 - TDKC - 04) ; 天地科技股份
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3 顶煤块体的运动学分析
根据块体理论的相关定理,视节理裂隙面不具
有抗拉强度,可动块体的运动形式有 3 种: 直接掉 落、沿单节理 面 滑 动 和 沿 双 节 理 面 滑 动[6]。 在 顶
煤的实际破裂垮落过程中,顶煤块体可能沿着多节
理面滑动或者垮落,也有可能发生剪切破断,本文
从简化的块体运动特征出发,分析顶煤块体简单的
ZHAO Tie-lin1 ,2 ,WANG En-peng1,2 ,XIE Xing-zhi1,2
( 1. Coal Mining & Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 2. Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co. ,Ltd. ,Beijing 100013,China)
0. 57tanφ7 。得到虚平衡力与节理面摩擦角的关系, 通过实验室试验得到千树塔煤矿 3 号煤层内摩擦角 为 34°,近似将各个节理面的内摩擦角视为等于煤 体的内摩擦角,所以 tanφi = tan 34° = 0. 67 ( i = 1,2,7,8) ,带入得到各个 F 值,如下所示: F1 = 0. 31; F2 = - 0. 08; F7 = 1. 53; F8 = 0. 99; F12 = - 0. 377; F17 = - 0. 67; F18 = - 0. 34; F27 = - 0. 48; F28 = - 0. 48; F78 = 0. 27 。
实测得到如图 3 所示的节理面将支架上方及后 方顶煤切割成几个块体,平行于工作面方向,有 6 个节理面,垂直于工作面方向有 2 个节理面,从临 空面至顶煤深处,大致有如图 3 所示的几个块体, 块体编号与块体垮落顺序没有直接关系。从分析靠 近临空面的块体Ⅰ出发,研究顶煤块体稳定性规律。 包围块体Ⅰ的节理面参数见表 1。各个节理面 z 方向 的法向量 ni 的坐标 ( xi ,yi ,zi ) ,即: n1 = ( 0, - 0. 98,0. 17) ,n2 = ( - 0. 25, - 0. 43,0. 87) ,n7 =
有限公司开采设计事业部青年创新基金项目: 浅埋煤层综放工作面坚硬顶煤弱化技术研究 ( KCSJ - QNCX - 2014 - 07)
[作者简介] 赵铁林 ( 1990 - ) ,男,江苏连云港人,硕士研究生,研究方向为矿山压力与岩层控制。
[引用格式] 赵铁林,王恩鹏,解兴智 . 块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索 [J] . 煤矿开采,2015,20 ( 2) : 13 - 15.
第 20 卷 第 2 期 ( 总第 123 期) 2015 年 4 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 20No. 2 ( Series No. 123) April 2015
块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索
赵铁林1,2 ,王恩鹏1,2 ,解兴智1,2
( 1. 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院,北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013)
- 0. 43) ,s78 = ( 0. 08,- 0. 5,- 0. 86) 。
分析得出 ( 向量小于零表示向量 z 坐标小于
零) : 由 s1 ,s7 ,s8 < 0 知顶煤块体垂直于工作面朝向
采空区垮落; 由 s12 < 0 知顶煤块体朝向 x 轴负方向
和 y 轴正方向垮落,即朝向支架放煤口的右下方向
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总第 123 期
煤矿开采
2015 年第 2 期
( 0, - 0. 87,0. 5) ,n8 = ( 0. 99,0,0. 09) 。
图 3 顶煤体节理面投影
图 1 顶煤钻孔示意 表 1 综放工作面顶煤节理面参数
节理面 1 2 3 4 5 6 7 8
倾角 α / ( °) 100 150 160 55 150 170 120 75
倾向斜 β / ( °) 180 210 195 105 65 80 180 90
煤单轴抗压强度较大,在矿山压力和支架的支撑作 用下,顶煤难以发生充分破碎,很容易形成相互铰 接的块体结构。
对坚硬煤层综放工作面顶煤进行分析可知: 当 支架前移后顶煤体处于临空自由状态,沿着临空面 建立三维空间直角坐标系和球坐标系,见图 2。
综合上述分析,只有 F1 ,F7 ,F8 ,F78 大于零, 块体Ⅰ将沿着节理面 1,7,8 或者同时沿着两个节 理面 7 和 8 滑动垮落。
向为 ( 0,0, - 1 ) ,得到顶煤块体Ⅰ沿着单一节
理面运动下落和沿着 2 个节理面运动下落的方向向
量为:
si
=

ni
× r ) ×
ni
×

r
ni
,sij
=
ni × nj ni × nj
sign[ ( ni
× nj ) ·r ]
s1 = ( 0,0. 18,- 0. 99) ,s2 = ( 0. 49,0. 82,- 0. 98) ,s7 =
1 矿井条件概况
以千树塔煤矿为应用对象进行现场观测,千树 塔煤矿主采 3 号煤层,首采 11301 综放工作面埋深 171m 左右,煤层厚度平均 10. 61m,赋存稳定,平 均倾角 0. 6°,工作面设计长度 150m,采煤机割煤
高度 4m,放煤高度 6. 61m,采放比 1∶ 1. 65。为了 准确地得到坚硬特厚煤层顶煤节理面的分布情况, 在工作面架间垂直顶煤和相交顶煤一定夹角向上打 钻。在同一个架间连续打 4 次垂直钻孔,推进 2 刀 之后打倾斜孔,钻孔最终分布如图 1 所示,钻孔编 号为 1,2,3,4,5,6,其中 5 号钻孔与水平面 夹角为 30°,6 号钻孔与水平面夹角为 45°。
Abstract: In full-mechanized caving mining hard and extremely-thick coal-seam,top-coal was cut by joints and fissure and would form blocks which were interconnected. When free face occurred under top-coal,part top-coal blocks would firstly cave. Applying block theory and bore-hole imaging,cut status of top-coal was analyzed. The movement and dynamics relationship of blocks was analyzed from the form of block caving along single-joint and double-joint. Internal frictional angle of joint and the relational expression of the angle and slide direction was obtained,which provided new research view for top-coal caving in hard and extremely-thick coal-seam. Keywords: block theory; hard coal-seam; extremely-thick coalseam; full-mechanized caving mining
我国榆阳地区分布着煤质优良、埋藏浅、煤体 硬度大、节理裂隙不发育、厚度变化大的 3 号煤 层,主采 3 号煤层的矿井有千树塔煤矿、麻黄梁煤 矿、柳巷煤矿、双山煤矿、杭来湾煤矿等,大部分 煤矿平均埋深在 200m 以内,煤层单轴抗压强度均 大于 25MPa,煤层厚度在 10m 左右。为了实现高 产高效安全开采,矿井采用了综合机械化放顶煤采 煤法。但由于煤层坚硬,顶煤难以垮落、在不采取 弱化措施时难以保障顶煤采出率。针对这个问题, 运用块体理论的相关知识[1 - 4],对顶煤的冒放结构 进行分析,为改善顶煤冒放性提供理论参考。
[关键词] 块体理论; 坚硬煤层; 特厚煤层; 综放开采 [中图分类号] TD821 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 ( 2015) 02-0013-03
Application of Block Theory in Full-mechanized Caving Mining in Hard and Extremely-thick Coal-seam
赵铁林等: 块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索
来自百度文库
2015 年第 2 期
由 s78 < 0 知顶煤块体朝向 x 轴正方向和 y 轴负方向 垮落运动,垮落时偏向支架方向。
4 顶煤块体的动力学分析
顶煤由节理面切割成不同产状的块体,以顶煤 块体Ⅰ为对象,对其进行受力分析[1,5 - 6]。顶煤块 体Ⅰ受力如图 4 所示。
通过钻孔,运用钻孔电视仪对节理裂隙进行成 像分析,并对图像进行素描,得到大致的节理面走 向和倾向,分析结果如表 1 所示 ( 倾角 α 是节理 面法向向量与 z 轴正向的夹角,倾向斜 β 是节理面 法向向量在 xoy 平面内的投影与 y 轴的夹角) 。
2 顶煤冒放块体坐标系的建立
块体理论是用于分析岩土工程稳定性问题,在 岩石边坡工程、地下洞室、隧道等领域得到了广泛 应用,坚硬特厚煤层在采用综放开采时,由于其顶
( 0,- 0. 5,- 0. 86) ,s8 = ( 0. 09,0. 01,- 0. 17) ,s12 = ( -
0. 97,0. 04,- 0. 26) ,s17 = ( 0,0,0) ,s18 = ( 0. 09,0. 17,-
0. 97) ,s27 = ( - 0. 81,- 0. 19,- 0. 55) ,s28 = ( 0. 04,- 0. 9,
运动形式。
促使顶煤块体Ⅰ下落的主动力包括重力和矿山
压力,但其主动合力方向不定,方向向量与 z 轴有
夹角。顶煤块体Ⅰ可以沿着节理面 1,2,7,8 中
的任一个运动垮落或者相邻两个节理面运动垮落。 设顶煤块体受到的主动力合力 r 方向坐标为 ( xi , yi ,zi ) ,当 zi ≥0 时,块体不会发生下落,因此 zi 的值小于 0。不考虑矿山压力的作用,则主动力方
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