文摘

为了解决煤炭回收率低的问题造成的离开大煤柱在深矿井,研究确定煤柱的合理宽度部分,基于煤柱应力分布理论,以4102年headgate Wenjiapo煤矿为工程背景。现场监测和数值模拟结果表明,采空区侧向支承压力的影响范围是50 ~ 56米,煤柱的支承压力分布类似于驼峰两座山峰为38.9 MPa和33.6 MPa,分别。双峰值的位置位于煤柱12米和36米,分别。在“驼峰”,部分煤柱垂直应力是原岩应力和相对稳定。它可以被视为一个弹性区煤柱的承载能力强,煤在其他领域已经发生了塑性屈服,和承载力有所降低;煤柱的宽度决定部分已经从46米减少到33米,这是一个减少13米。研究成果已应用于4106年headgate在同一矿区,和良好的测试结果。的最大沉降roof-to-floor rib-to-rib收敛是286毫米和150毫米,这表明其变形在允许的范围内,和横截面面积足以满足需求。

1。介绍

超过90%的地下矿山使用长壁开采方法,和煤柱一直隔离采空区的主要方式和维护中国煤矿开采巷道(1]。根据国内外研究现状,主要有两种方法可以保留煤柱。第一个是宽煤柱方法,安排外的巷道压力峰值减少巷道;另一支柱或nonpillar收益率方法,用于减少煤柱的宽度,减少资源浪费2- - - - - -4]。

研究和发展水平的两个巷道保护方法也有自己的特点,已广泛应用在不同的条件下。在中国中部和西部煤矿(山西、陕西、内蒙古等)逐渐进入深部厚煤层开采阶段(5]。然而,大多数现有煤矿的实际生产过程一直困扰煤柱的宽度,这大多是50米宽。以上,大煤柱不仅不能恢复,还容易导致巷道安排stress-increasing地区,这是重大事故的一个重要原因6- - - - - -8]。特别是现在科学和绿色开采是主张,提出了更高的要求对煤柱的宽度的决心。

在理论研究方面,国内外学者做了很多研究煤柱保留和有效面积等提出各种理论理论,大板裂缝理论,发育约束理论和极限平衡理论(9- - - - - -12]。每个理论都有一定的适用条件:有效面积理论只能用于开挖面积大,煤柱的宽度和间隔是相同的,计算的塑性区宽度的大板裂纹理论与煤柱的宽度成正比,显然与实际情况不符,煤柱和发育约束理论认为,由一个屈服区和一个弹性核心区域,更好的解释了形成煤柱的应力分布,但有关参数的选择公式需要大量的现场实测数据或煤和岩石强度测试。

国内研究煤柱支承压力的分布主要是基于极限平衡理论的区域。最重要的相关模型的建立和理论推导是建立合理的基础上确定的极限平衡状态(13- - - - - -16]。侯等人推导出相应的支承压力分布公式和给了极限平衡区宽度的计算方法和应用在煤炭矿区的支柱设置(17]。康等人解释了煤柱的设置在不同的情况下,如nonpillar和收益率支柱(18- - - - - -20.]。基于采场上覆岩层运动特征的分析,张等人澄清了屋顶的传输承载机制楔形地区采空区方面,提出优化的技术思想的残余应力煤柱(21]。李等人分析了巷道围岩的变形不同煤矿地质条件下,发现收益率煤柱稳定性的影响因素包括:煤层强度、煤层厚度、煤层深度、直接顶的力量,影响驾驶和挖掘,支持力量,窄煤柱宽度(22]。

结合现场测试和数值模拟,部分支柱的宽度是被证明是合理的也是学习。的煤柱的合理宽度的影响规律进行了研究,并在此基础上,这种方法不仅能满足煤柱的稳定性要求也提出了提高资源回收率。研究结果将提供一个理论依据部分支柱的经济和安全。

2。背景

2.1。工程背景

Wenjiapo矿位于Binchang煤矿区是一个典型的中国煤矿深处,挖掘深度的近600米~ 700米以下。井底车场葬在平均埋深650米。入口是一个矩形截面宽度为5.7米和3.65米的高度。完全机械化开采煤层放顶煤开采过程法。部分支柱46米的宽度(见图1),在开采煤柱相对破碎,和巷道的围岩稳定性不好。煤柱的宽度需要优化。

4102年headgate在4 #煤层,平均厚度为4.8米。按升序,屋顶岩层泥岩(2.31米),细砂岩(1.4米),泥岩(2.1米),粉砂岩(8.8米),和粗砂岩(10.2米),而下面,在降序排列,泥岩(2.6米),中砂岩(6.7米),和粉砂岩(9.1米)。的巷道有高度3.65米,宽度5.7米(图2)。

2.2。测定岩石力学参数

为了详细了解4102 headgate围岩的性质,选择4102年的围岩headgate收集煤和岩石样本没有构造带和断层,避免项目的建设,采样完成后,PVC密封在地下,在被送到实验室标准化处理(见图3)。

岩石力学参数测量的无(鞣制- 2000)微机控制电液伺服岩石三轴试验机(见图4)。的最大轴向载荷测试系统是2000 kN,最大侧压力是500 kN,最大剪切载荷500 kN。

4102 headgate抽样后,标准的标本,和岩石力学性能参数测量,如表所示1。

3所示。理论分析煤柱应力分布

巷道开挖完成后,上覆岩层压力重新分配,和一定范围的采动应力区煤柱将形成。由于采动应力的影响,认为煤岩体在一定宽度煤柱的破坏。人们普遍认为,煤柱支承压力在边缘的是零。随着深度的增加,支承压力逐渐增加,直到达到峰值的煤柱垂直应力23- - - - - -25]。煤柱的特定区域边界垂直峰值压力称为屈服区,也被称为煤柱塑性区宽度的(26- - - - - -28]。

3.1。垂直应力分布在煤柱工作面开采后

在本节中,煤柱分为内部塑性区和弹性区,和研究进行了二次曲线。集成煤垂直应力的理论计算塑性区极限平衡区,在弹性区和集成煤压力是由威布尔分布拟合的函数。用相关参数获取煤柱垂直应力,最后确定煤柱的合理宽度。在理论计算,一些必要的假设应使问题简单的答案。基本假设是(29日- - - - - -31日)如下:(1)煤柱被视为理想弹性体,这符合连续性的合理的假设,完整的弹性,均匀性和各向同性弹性力学(2)煤柱内部剪切损伤遵循莫尔库仑准则(3)弹塑性交界处的应力极限平衡区(4)煤柱收益之前,煤柱的内部位移和变形很小

巷道开挖完成后,在集成煤是绘制垂直应力分布曲线(见图5)。

在图5,工作面开采的影响在右侧的垂直应力的综合煤,然后呢压力是影响集成煤的塑性区。煤柱垂直应力的塑性区(侧向支承压力)是极限平衡状态;是影响煤柱的应力弹性区(32- - - - - -34]。

它可以通过公式计算(1)。 在哪里煤层界面凝聚力,6.62 MPa,φ的内摩擦角是煤层界面,28.81°,锚杆支护强度、0.2 MPa,λ₁侧压力系数的煤柱,1巷道的高度3.8米,煤柱的宽度,46米,煤柱塑性区范围的工作面开采后,m。

塑性区范围的计算公式(2): 在哪里是增加系数在工作面开采煤柱垂直应力。

外的煤柱垂直应力塑性区满足威布尔分布,和威布尔分布函数表达式 在哪里是随机变量,任何点的距离的原岩应力区煤炭肋骨,然后呢尺度参数。

结合内部应力的分布规律外的煤柱塑性区,用相关参数,是 在哪里 在哪里γ体积密度,2.5 kn / m³,巷道的埋深650米,然后呢的参数调整函数的程度的紧迫性。

在公式(4),是一个单峰函数,当 ,的峰值是 。的峰值增加而 ;所以,压力峰值的价值可以通过改变调整,以反映矿业面临的程度的影响煤柱支承压力峰值的中心。增加或减少调整的程度循序性和紧迫性下降过程中 过程和逐渐减少原岩应力发展成深煤层的一部分。根据上面的分析,可以看出,工作面开采的影响在中央在煤柱支承压力

3.2。确定煤柱的合理宽度

根据Wenjiapo矿山的生产地质条件和相关测试结果,结合数值模拟结果,计算参数如下:平均埋深的巷道是650,岩层的密度ρ是 ,煤层厚度是4.8米,锚杆支护强度0.2 MPa,煤层凝聚力6.62 MPa,煤层内摩擦角吗φ28.81°,集成煤工作面开采后支承压力增加系数1.5,支承压力增加身体的一侧系数为1.3,在塑性区和侧压力系数是1.0。

维护稳定的基本条件的煤柱巷道保护如下:塑性变形发生后两边的煤柱,一定有一个弹性的核心煤柱宽度的中心,和弹性芯的宽度不小于煤柱高度的两倍。因此,煤柱的合理宽度在4102 headgate的脸 在哪里是塑性区宽度煤柱的左边,是塑料带的宽度煤柱的右边,λ₁支承压力的提高系数的综合煤炭开采后,1.5,在塑性区内部压力系数为1.0,然后呢λ2是增加支承压力系数的煤巷道开挖后1.3。

由于煤柱的宽度不同,相应的宽度煤柱塑性区也不同。用参数来解决公式(8),是11.2米,是8.9米,大于29.7米。

4所示。在工作面侧向压力的测量

钻孔应力计是用来测量煤柱的应力分布在4102工作面开采为了分析煤柱的应力分布。由于大煤柱宽度,很难构建水平直径较小的深洞,和钻井无法穿透46 m煤柱。因此,两个同样道路排列,测量站workface排列在前面,也就是说,4102年headgate和4103后挡板。应变仪位于3米,6米,9米、12米,15米,18米,柱内和21米,距离约1米(见图6)。

在收集和处理测量数据,在煤柱支承压力的分布是获得绘制一条曲线(见图7)。

煤柱的侧向支承压力继续增加矿业(见图7);外侧煤柱支承压力分布类似于驼峰两座山峰为38.9 MPa和33.6 MPa,分别和双峰值的位置位于煤柱12米和36米,分别。“驼峰”的范围大约是17米~ 34米。17米的宽度范围内,煤柱垂直应力是15 MPa ~ 20 MPa,这基本上是原岩应力小的差别。它可以被视为一个弹性区具有一定宽度煤柱和有很强的承载能力。分析表明,煤柱的宽度可以适当减少,和“驼峰”的宽度是可以减少,但它仍然有足够的弹性区发挥轴承的作用。

建议优化煤柱的宽度可以减少“驼峰”,和它的宽度可以减少从46米26 ~ 35米。

5。煤柱应力分布的数值模拟分析

使用FLAC^{3 d}软件模拟和分析煤柱的应力分布和变形和破坏过程的两个采矿道路指导合理的煤柱宽度的确定35- - - - - -37),数值模型必须满足以下条件。为了满足这些条件,数值模型必须有以下步骤:(1)几何和地质模型的、基于采矿和钻探的项目信息(2)边界条件和限制的边缘模型来模拟介质的连续性(3)材料属性(固体岩石)中发现,这些criteria-based属性分类(4)的初始应力场模型,基于压力测量或实验方法(5)序列挖掘的画廊的再分配来模拟应力和位移的地块由开挖引起的(6)分析的结果来确定岩体或类型的治疗用于控制变形的令人满意(或没有)。

5.1。数值模型

使用FLAC^{3 d}软件建立数值计算模型根据Wenjiapo煤矿的地质条件,模型包括4号煤和共28层上下岩层,和模型的大小 。水平位移约束是对双方的边界和前后边界,垂直位移约束是对边界,底部和均匀分布载荷对上边界。均匀分布载荷计算基于上覆岩层的重量。上覆岩层的密度是2500公斤/米³,4号煤层的埋深确定为650米,16.95 MPa的均布荷载应用于模型模拟的上半部分上覆岩层的重量,和侧压力系数是1。

模型煤岩体的力学参数如表所示2。

数值计算模型与初始应力平衡(见图8)。

5.2。模拟原始煤柱的宽度

煤柱垂直应力分布的部分先进的4102工作面时在0 m, 40米,80米,120米是模拟和计算在煤柱垂直应力分布(见图9)。

垂直应力分布数值模拟得到的数据和曲线(图绘制10)。

从图可以看出10,随着工作面推进,煤柱垂直压力继续增加的影响下采动压力;煤柱垂直应力分布曲线类似于“驼峰”有两个峰值33.5 MPa和34.3 MPa,分别各曲线的双峰值的位置大约在11米和37米煤柱,和“驼峰”的宽度大约是17米~ 36米的范围。在“驼峰”,煤柱支承压力是19 MPa ~ 25 MPa,接近主要岩石的压力。它可以被视为一定宽度的煤柱弹性区,承载力强,和其他范围的煤已经经历了塑性屈服,只有有一定的承载力。“驼峰”(参见图的宽度10)可适当降低。

5.3。煤柱的支承压力分布规律与不同的宽度

根据Wenjiapo煤矿的地质条件,煤柱宽度是15米,25米、33米,46米,分别和煤柱的支承压力分布规律和巷道围岩的位移在道路驾驶和采矿。仿真过程分为四步:第一步是计算原始岩石的应力平衡;第二步是计算4103工作面开采的影响上;第三步是道路驾驶和螺栓支持的4102工作面在本节中保护计算;第四步是计算4102工作面开采的影响。模拟图(见图所示11),煤柱的宽度,15米,25米,33米,分别和46 m。

在离开的情况下与不同宽度煤柱,煤柱垂直应力的分布曲线可以直接获得了软件(见图12)。

总结的垂直应力仿真结果如图13和14。

在图13,在4102年的驾驶headgate煤柱垂直应力造成的不同煤柱宽度是不同的:(一)当煤柱的宽度是15米至25米,煤柱的应力呈现一个抛物线分布,峰值和峰值位置不是在煤柱的中心。15米的煤柱,峰中心偏向一侧的煤柱巷道附近和偏差距离约1.5米;当煤柱扩大到25米,煤柱垂直应力的逐渐提出了一种梯形分布,峰值位置变化时从侧面的巷道的采空区。偏差距离随煤柱的宽度的增加,和距离偏差约为1.5 m(b)当煤柱宽33米和46米,煤柱的应力分布是一样的,之前的煤柱宽度不减少。在这两种情况下,峰值在形式的“两座山峰的峰。“当煤柱是33米,煤柱的峰值是在16米和27米煤柱,和垂直应力的峰值”驼峰”接近原岩应力,可以视为一个弹性核心区域具有良好的承载能力;当煤柱44米,煤柱的顶峰是12 m和27 m深入煤柱(c)当煤柱15米至25米,煤柱的应力峰值大于煤柱的33米和46米,由于煤柱高应力区和煤柱高应力集中;前两个的煤柱塑性区更大,因为前两个煤柱塑性区更大,支承压力转移到深煤层的一部分,和煤炭采空区边缘更分散

在图14,在4102工作面开采期间,造成的煤柱垂直应力在不同煤柱宽度是不同的:(一)与道路驾驶相比,煤柱垂直应力比较集中在采矿业。最集中的压力是当煤柱宽度25米。这时,峰值应力达到38.8 MPa,这是原岩应力的2.4倍;在开采期间,四个煤柱垂直应力曲线并没有改变太多,和压力曲线的形状仍类似于在开车(b)在开采期间,低应力区域的边缘煤柱的扩张,和煤柱垂直应力峰值煤柱内移。随着煤柱承受较大载荷在采矿过程中,边缘的煤柱进行整形失败

从上面的分析可以看出,在相同的开采条件,煤柱的宽度越小,越集中煤柱上的负载,峰值应力将向内转移,中间弹性核心范围将减少一部分,和塑料带的宽度将会增加。因此,讨论煤柱的合理宽度时,应该考虑的影响煤柱的应力环境。

5.4。比较不同煤柱塑性区

范围的不同宽度煤柱塑性区图所示15。

从图可以看出16当煤柱的宽度是46米和33米,大范围的煤柱弹性区域中可以看到,基本上是没有塑料失败在弹性区,它有一个更高的承载能力,和煤柱的弹性区域,分别为60%和55%;当煤柱宽15米至25米,煤柱弹性区域基本上消失了,整个煤柱基本上经历了整形失败,基本上是完全失去弹性区域,塑料面积的比例接近100%。尤其是15米煤柱已基本失去承载力由于过度变形,原因是屋顶在采空区的边缘了。再加上二次开采的影响,巷道的屋顶继续弯曲和水槽,和煤柱支承压力转移。由于集成煤具有更大的承载力,破碎范围和影响巷道围岩的小于采空区的一面。煤柱的窗台上产生一定的塑性区范围,螺栓位于破碎区会失败,螺栓承载能力将下降,破碎围岩巷道的程度会增加,和煤柱的稳定性将降低。

5.5。确定煤柱的宽度

总之,当煤柱33米,垂直应力分布仍呈现一种“驼峰”有两个高峰期间工作面开采。双峰值的位置大约18 m和27 m煤柱,分别。“驼峰”的范围煤柱大约是10 ~ 12米。在这个宽度、煤柱的支承压力是在相对较高的水平叠加干扰的两个回采。与煤柱46米相比,应力水平不显著增加,应力峰值变化很小。它可以被视为一定量的煤柱。弹性带的宽度有很强的承载能力;煤柱的煤炭在其他领域已经完全可塑性产生,只有有一定的承载力。

与煤柱33米相比,15米至25米煤柱较大的塑性区和高应力集中。虽然压力水平和发展程度的为46米煤柱塑性区几乎相同的煤柱33米,这是由于资源利用率,煤柱的宽度决定是33米。

6。现场试验

基于之前的研究结果,保留煤柱的现场试验进行了4106年headgate在同一面板。部分支柱是33米的宽度,和有一个监控部分每100 m监测巷道的围岩的变形在workface矿业(见图17)。

在采矿过程中巷道围岩(见图17外),监控部分从工作面70米的范围,以及巷道卸压位移和应变率很小,关闭0毫米/ d;在50米的范围,屋顶的沉降和变形煤肋收敛性有不同程度的增加。尤其是在24米矿区巷道表面位移的开始迅速增加。在整个开采过程中,最大的屋顶塌陷是153毫米,最大位移的煤炭肋收敛是132毫米。形变率较小的早期和后期增加。没有明显的位移,这证明了巷道控制是合理的和有效的。

现场监测结果表明,合理的煤柱宽度离开33米,和巷道的围岩控制效果好(见图18)。

7所示。结论

(1)从测量数据可以看出,煤柱支承压力的增加与工作面采矿和提出了一种形式的“两座山峰的峰。“双峰值的位置是在煤柱12米和36米,和距离的“两座山峰”是24米。峰值分别38.9 MPa和33.6 MPa。曲线的范围“驼峰”大概是17米~ 34米。在17米宽的范围,在煤柱支承压力15 MPa和20 MPa之间,这是原岩应力变化不大。它可以被视为一个弹性区与一定的宽度煤柱和拥有强大的承载能力;数值模拟分析结果在法律类似于测量数据(“两座山峰一个驼峰”)。因此,可以适当减少煤柱(2)煤柱的应力集中(15米至25米)比宽煤柱高15% ~ 30%(33米和46米);的损伤区域塑性区也占较大的比例。比例是45%和46%,仍有大面积的弹性区;煤柱基本上是完全损坏当煤柱宽度25米和15米,和塑性区占100%。基于综合考虑,确定残留煤柱的宽度是33米(3)现场测量后,发现屋顶的最大位移和地板是153毫米,最大位移的双方是132毫米,和变形小;早期阶段的应变率小,增加了在以后的阶段。没有明显的位移变化,证明了巷道控制是合理的。整体位移在开采期间并不大,这证明了煤柱的现场应用效果好,可以在相同的地质条件下使用

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。excel数据用于支持本研究的发现是包含在文件的补充信息。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(52174138号)和江苏省研究生创新项目(KYCX21_2366)。