论文部分内容阅读
【摘 要】 浅埋煤层合理煤柱宽度的留设对于提高煤炭的回采率以及巷道的稳定性都有重要意义。本文以西部某浅埋矿井为研究背景，利用FLAC3D软件进行数值模拟分析并通过对煤柱垂直应力、水平应力进行分析，进而开展了浅埋煤层采掘工作面的最佳煤柱宽度留设研究。研究表明：随着煤柱宽度增加，垂直应力呈先增大后减小再增大的趋势且煤柱内部的垂直应力呈现双峰曲线，煤柱内部水平应力随着煤柱深度的增加而增大且煤柱内部水平应力曲线呈单峰对称曲线;最佳煤柱宽度为14-16m。研究成果可为类似地质条件下煤矿安全开采提供依据。
【关键词】 极浅埋煤层;煤柱宽度留设;数值模拟;应力
【中图分类号】 TD323 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）03-0009-02
为了更好地达到提高煤炭产量、实现对煤矿绿色清洁能源的开采等主要经济目的，增大煤矿的回采率，是较为可行的方法之一。而针对浅埋煤层而言使用一次性采全高技术，可以达到高产高效目的。一次性采全高开采可以很好地提高煤炭开采率，达到高产高效，节约开采成本，在实际的开采生产中被大多数矿井采用。在开采过程中，很多煤矿在初步设计开采时不合理，工作面与工作面之间留设了不合理的区段煤柱，造成了大量的煤炭资源浪费。此外，煤柱留设宽度的不合理会对其他工作面开采造成影响，使工作面开采过程中应力增加，增加了煤矿发生动力灾害的可能性。为增大煤矿的回采率，在原有的开采技术上，选用适当的煤柱宽度可以增大煤炭产量进而提高回采率、减小煤矿动力灾害的发生概率。
本文主要以西北某一浅埋煤层为背景，利用FALC3D数值模拟软件研究工作面开采过程中煤柱合理宽度留设，为类似条件下开采提供一定的科学依据。
1工程背景
本文主要以西北某一浅埋煤层为背景，矿井埋深约150m，煤层开采厚度平均6m，顶板粉砂岩厚度为2m、泥岩厚度为8m，底板以粗砂岩为主，厚度为4m。综合柱状图如图1所示。煤岩力学参数表如表1所示。
2数值模型建立
确定15306工作面为研究对象，该采区工作面煤柱宽度为18.2m，回风顺槽、辅运顺槽：宽×高=5.7m×4.3m，胶运顺槽宽×高=6.2m×4.3m，回采面走向长度为280m，建模过程中不考虑巷道，因此模型尺寸为：长×宽×高（x×y×z）=406.8m×100m×86.5m。最终得出数值模型如图2，模型的节点数为583881、单元数为560000、上覆岩层厚度为80m、侧压力系数为1.2。
为了模拟该煤矿煤层综采工作面区段煤柱的合理宽度，在运输巷道、回风巷道和断面尺寸数值确定的情况下，可分为六个工作点，见下表2。
3煤柱宽度留设分析
在采动影响下煤柱水平及垂直应力发生了变化，具体变化可见图3和图4。图3为采掘工作面从0m至50m回采时，监测点为25m处的不同宽度煤柱下的垂直应力分布图。
由图3可知，不同宽度煤柱下的垂直应力曲线均为双峰曲线，应力大小随着煤柱增大呈现先增大后减小再增大再减小的趋势。煤柱宽度分别为10m、12m、14m、16m、18m、20m时，其对应的垂直應力峰值为4.32Mpa、4.25Mpa、4.15Mpa、4.13Mpa、4.12Mpa、4.11Mpa。由其峰值变化可以看出当煤柱宽度大于14m时，煤柱的垂直应力峰值变化幅度减小。当煤柱宽度为10m时，煤柱的垂直应力曲线分布图主要呈现对称状态，当煤柱宽度超过10m时，其垂直应力曲线图呈非对称性，由此可知采空区附近的应力比辅运顺槽的应力值稍大一些。当煤柱宽度为10m时其原岩应力大约为2Mpa左右，10m宽度下的垂直应力是其2倍多，具有承载能力，煤柱宽度为14-16m时存在一定的弹性区，承载能力较为良好。煤柱宽度为16-20m时存在较好的稳定性，但由于埋深较浅，若选用16-20m煤柱宽度时降低了煤炭的采出率，损失严重，故选用14-16m为最佳煤柱宽度范围。
由图4可知，两侧的水平应力值较小，中间位置水平应力值较大，水平应力值呈现出中间大两边低，且水平应力曲线呈对称分布，产生这种现象的原因是煤柱两侧受到了约束。当煤柱宽度为10m、12m、14m、16m、18m、20m时其对应的水平应力峰值为1.15MPa、1.25MPa、1.30MPa、1.40MPa、1.50Mpa、1.55MPa，煤柱宽度在10-18m时水平应力变化较为明显，18-20m时水平应力变化幅度下降。对比不同煤柱宽度下的水平与垂直应力可知：煤柱宽度在10-14m时水平应力较小垂直应力较大，煤柱宽度在14-16m时其水平与垂直应力位于中间大小，煤柱宽度在16-20m时水平应力较大垂直应力较小，综上最佳煤柱宽度为14-16m。
4结论
不同煤柱下的采动应力是一个随着回采长度的变化从而进行动态变化的一个过程。当煤柱宽度不断增大时，垂直应力呈先增大后减小再增大的趋势且煤柱内部的垂直应力呈现双峰曲线，煤柱内部水平应力随着煤柱深度的增加而增大且煤柱内部水平应力曲线呈单峰对称曲线。
对煤柱不同宽度下的应力分析得出最佳煤柱宽度为14-16m，此范围的煤柱具有较好的承重和承压能力且煤柱的稳定性较好。
【参考文献】
[1]任传鹏，丁日佳，李上.中国煤炭回采率低下的原因及对策[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010，29（5）：136-137.
[2]徐乃忠.我国厚煤层开采的问题与方向[J].煤炭工程，2008，40（12）：5-7.
[3]朱卫兵.浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理研究[D].北京：中国矿业大学，2010.
[4]黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报，2002，21（8）：1174-1177.
[5]钱鸣高，石`平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003：280-283.
[6]刘贵，张华兴，徐乃忠.深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性[J].煤炭学报，2008，33（10）：1086-1091.
[7]谢和平，段法兵，周宏伟，等.条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展[J].中国矿业，1998，7（5）：37-41.
[8]胡炳南.条带开采中煤柱稳定性分析[J].煤炭学报，1995，20（2）：205-210.
【关键词】 极浅埋煤层;煤柱宽度留设;数值模拟;应力
【中图分类号】 TD323 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）03-0009-02
为了更好地达到提高煤炭产量、实现对煤矿绿色清洁能源的开采等主要经济目的，增大煤矿的回采率，是较为可行的方法之一。而针对浅埋煤层而言使用一次性采全高技术，可以达到高产高效目的。一次性采全高开采可以很好地提高煤炭开采率，达到高产高效，节约开采成本，在实际的开采生产中被大多数矿井采用。在开采过程中，很多煤矿在初步设计开采时不合理，工作面与工作面之间留设了不合理的区段煤柱，造成了大量的煤炭资源浪费。此外，煤柱留设宽度的不合理会对其他工作面开采造成影响，使工作面开采过程中应力增加，增加了煤矿发生动力灾害的可能性。为增大煤矿的回采率，在原有的开采技术上，选用适当的煤柱宽度可以增大煤炭产量进而提高回采率、减小煤矿动力灾害的发生概率。
本文主要以西北某一浅埋煤层为背景，利用FALC3D数值模拟软件研究工作面开采过程中煤柱合理宽度留设，为类似条件下开采提供一定的科学依据。
1工程背景
本文主要以西北某一浅埋煤层为背景，矿井埋深约150m，煤层开采厚度平均6m，顶板粉砂岩厚度为2m、泥岩厚度为8m，底板以粗砂岩为主，厚度为4m。综合柱状图如图1所示。煤岩力学参数表如表1所示。
2数值模型建立
确定15306工作面为研究对象，该采区工作面煤柱宽度为18.2m，回风顺槽、辅运顺槽：宽×高=5.7m×4.3m，胶运顺槽宽×高=6.2m×4.3m，回采面走向长度为280m，建模过程中不考虑巷道，因此模型尺寸为：长×宽×高（x×y×z）=406.8m×100m×86.5m。最终得出数值模型如图2，模型的节点数为583881、单元数为560000、上覆岩层厚度为80m、侧压力系数为1.2。
为了模拟该煤矿煤层综采工作面区段煤柱的合理宽度，在运输巷道、回风巷道和断面尺寸数值确定的情况下，可分为六个工作点，见下表2。
3煤柱宽度留设分析
在采动影响下煤柱水平及垂直应力发生了变化，具体变化可见图3和图4。图3为采掘工作面从0m至50m回采时，监测点为25m处的不同宽度煤柱下的垂直应力分布图。
由图3可知，不同宽度煤柱下的垂直应力曲线均为双峰曲线，应力大小随着煤柱增大呈现先增大后减小再增大再减小的趋势。煤柱宽度分别为10m、12m、14m、16m、18m、20m时，其对应的垂直應力峰值为4.32Mpa、4.25Mpa、4.15Mpa、4.13Mpa、4.12Mpa、4.11Mpa。由其峰值变化可以看出当煤柱宽度大于14m时，煤柱的垂直应力峰值变化幅度减小。当煤柱宽度为10m时，煤柱的垂直应力曲线分布图主要呈现对称状态，当煤柱宽度超过10m时，其垂直应力曲线图呈非对称性，由此可知采空区附近的应力比辅运顺槽的应力值稍大一些。当煤柱宽度为10m时其原岩应力大约为2Mpa左右，10m宽度下的垂直应力是其2倍多，具有承载能力，煤柱宽度为14-16m时存在一定的弹性区，承载能力较为良好。煤柱宽度为16-20m时存在较好的稳定性，但由于埋深较浅，若选用16-20m煤柱宽度时降低了煤炭的采出率，损失严重，故选用14-16m为最佳煤柱宽度范围。
由图4可知，两侧的水平应力值较小，中间位置水平应力值较大，水平应力值呈现出中间大两边低，且水平应力曲线呈对称分布，产生这种现象的原因是煤柱两侧受到了约束。当煤柱宽度为10m、12m、14m、16m、18m、20m时其对应的水平应力峰值为1.15MPa、1.25MPa、1.30MPa、1.40MPa、1.50Mpa、1.55MPa，煤柱宽度在10-18m时水平应力变化较为明显，18-20m时水平应力变化幅度下降。对比不同煤柱宽度下的水平与垂直应力可知：煤柱宽度在10-14m时水平应力较小垂直应力较大，煤柱宽度在14-16m时其水平与垂直应力位于中间大小，煤柱宽度在16-20m时水平应力较大垂直应力较小，综上最佳煤柱宽度为14-16m。
4结论
不同煤柱下的采动应力是一个随着回采长度的变化从而进行动态变化的一个过程。当煤柱宽度不断增大时，垂直应力呈先增大后减小再增大的趋势且煤柱内部的垂直应力呈现双峰曲线，煤柱内部水平应力随着煤柱深度的增加而增大且煤柱内部水平应力曲线呈单峰对称曲线。
对煤柱不同宽度下的应力分析得出最佳煤柱宽度为14-16m，此范围的煤柱具有较好的承重和承压能力且煤柱的稳定性较好。
【参考文献】
[1]任传鹏，丁日佳，李上.中国煤炭回采率低下的原因及对策[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010，29（5）：136-137.
[2]徐乃忠.我国厚煤层开采的问题与方向[J].煤炭工程，2008，40（12）：5-7.
[3]朱卫兵.浅埋近距离煤层重复采动关键层结构失稳机理研究[D].北京：中国矿业大学，2010.
[4]黄庆享.浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报，2002，21（8）：1174-1177.
[5]钱鸣高，石`平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003：280-283.
[6]刘贵，张华兴，徐乃忠.深部厚煤层条带开采煤柱的稳定性[J].煤炭学报，2008，33（10）：1086-1091.
[7]谢和平，段法兵，周宏伟，等.条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展[J].中国矿业，1998，7（5）：37-41.
[8]胡炳南.条带开采中煤柱稳定性分析[J].煤炭学报，1995，20（2）：205-210.