3.5～10m大倾角煤层巷柱式放顶煤阶段高度的确定

admin管理员组

文章数量:1531374

2024年7月12日发(作者：)

维普资讯

第１１卷第２期（总第６９期）　

２００６年４月　

煤矿　开　采　Ｖｏ１．１１　Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．６９）　

Ａｐｒｉｌ　２００６　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

陋霹医珂图　

许红杰，闫少宏　

（天地科技股份有限公司开采所事业部，北京１０００１３）　

３．５～１　０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤阶段高度的确定　

［摘要］　根据３．５～１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤开采巷道布置方式，建立顶煤体力学模型。　

采用弹塑性理论分析和ＦＬＡＣ　数值模拟相结合的研究方法，确定了该采煤方法合理的阶段高度。　

［关键词］　巷柱式放顶煤；阶段高度；应力极限平衡区；ＦＬＡＣ如数值模拟　

［中图分类号］ＴＤ８２３．５　３　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００６－６２２５（２００６）０２－０００１－０３　

Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｔａｇｅ　Ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　Ｒｏａｄｗａｙ　Ｃａｖｉｎｇ　Ｍｉｎｉｎｇ　ｉｎ　

３．５～ｌ０ｍ　Ｄｅｅｐｌｙ　Ｉｎｃｌｉｎｅｄ　Ｃｏａｌ　Ｓｅａｍ　

ＸＵ　Ｈｏｎｇ－ｊｉｅ．ＹＡＮ　Ｓｈａｏ—ｈｏｎｇ　

（Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｐｔ，Ｔｉａｎｄｉ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｏｐ　ｃｏａｌ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｐ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｏａｄｗａｙ　ｌａｙｏｕｔ　ｍａｎｎｅｒ　ｏｆ　ｒｏａｄｗａｙ　ｃａｖｉｎｇ　ｍｉｎｉｎｇ　ｉｎ　３．５～１０ｍ　

ｄｅｅｐｌｙ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｃｏａｔ　ｓｅａｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｓｔａｇｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｉｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｂｙ　ａ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃ－－ｐｌａｓｔｉｃ　ｔｈｅｏ－－　

ｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ＦＬＡＣ　Ｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏａｄｗａｙ　ｃａｖｉｎｇ　ｍｉｎｉｎｇ；ｓｔａｇｅ　ｈｅｉｇｈｔ；ｓｔｒｅｓｓ　ｌｉｍｉｔ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ａｒｅａ；ＦＬＡＣ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

３．５—１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤采煤法是　

在借鉴我国急倾斜厚煤层水平分段综采放顶煤与巷　

道放顶煤开采技术基础上，根据这类煤层的赋存特　

点提出的一种新的采煤方法。即将大倾角煤层进行　

水平分段，在每个阶段上、下部分别沿走向布置一　

条巷道，其中上部用作回风巷道，下部用作运输巷　

道，构成全风压通风系统，利用矿山压力破碎或爆　

１顶煤的破碎机理　

与近水平煤层综放开采一样，大倾角煤层巷柱　

式放顶煤也是利用矿山压力破碎顶煤。对大倾角煤　

层来说，上覆岩层的自重可以分解为垂直于煤层层　

面的分力和沿倾斜方向的分力，仅垂直于煤层层面　

的分力对顶煤产生挤压作用，在顶煤破碎中起一定　

作用，与同样性质的水平煤层相比，大倾角煤层顶　

煤相对难以破碎。　

理论和现场试验证明，处于应力极限平衡状态　

的顶煤，容易因外部的干扰（如松动爆破）破坏　

破落煤，机械化遥控装煤，刮板输送机或桥式转载　

机搭接胶带输送机运煤，从而实现连续开采的一种　

新型采煤工艺，其巷道布置如图１所示。这种采煤　

方法能大幅度提高开采效率和安全程度，对３．５—　

１０ｍ厚的大倾角煤层具有很强的适应性。　

其平衡状态而导致顶煤的破碎，因此阶段高度的大　

小首先应能保证顶煤在矿山压力的作用下进入应力　

极限平衡状态。　

２应力极限平衡区高度的计算　

２．１　阶段高度力学模型　

１一阶段运输平巷；２－－阶段回风平巷　

根据３．５—１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤开采　

巷道布置方式，建立力学模型，如图２所示。顶煤　

同时受到两处支承压力的作用，形成两个应力极限　

平衡区，分别为运输平巷和回风平巷的开掘引起的　

应力极限平衡区。图中ｋ，ｋ　为应力集中系数；ｙ　

为上覆岩层平均密度（ｔ／ｍ　）；Ｈ为采深（ｍ）；　

图１　大倾角煤层巷柱式放顶煤巷道布置　

阶段高度是３．５—１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶　

煤开采的重要参数之一，本文采用弹塑性理论分析　

和ＦＬＡＣ如有限元数值模拟相结合的研究方法来确　

定阶段顶煤高度。　

ｃ收稿日期】２００５—１０—１３　

ｃ作者简介】许红杰（１９７９一），男，河南漯河人，１９９５年在北京开采研究所获工程硕士学位，主要从事放顶煤开采技术与矿井。一通三　

防　技术的相关研究。　

维普资讯

总第６９期　煤　矿　开　采　２００６年第２期　

为煤层倾角（。）；Ｍ为平均煤厚（ｍ）；Ｘ。为运输　

平巷的开掘引起的应力极限平衡区的高度（ｍ）；　

为回风平巷的开掘引起的应力极限平衡区的高　

度（ｍ）。　

图２　阶段高度力学模型　

２．２应力极限平衡区高度的计算　

运输平巷开掘后，巷道周边的围岩应力重新分　

布，形成集中应力并逐步向深部发展，在集中应力　

的作用下，顶煤内形成破碎区和塑性区直到煤体内　

弹性应力区边界。如图３所示，　为支护阻力　

（ｋＰａ）；　为煤体与顶底板滑移面上的正应力；　

ｒ　为煤体与顶底板滑移面上的剪应力。由于煤体　

的泊松比大于顶底板的泊松比，煤层与顶底板的交　

界面（煤层界面）的黏聚力Ｃ。和内摩擦角　。比　

煤体的Ｃ和　值小，所以巷道开掘以后，煤体在　

集中应力的作用下向巷道内发生位移，并形成应力　

极限平衡区。　

ｙ　

：　

ｉ＝＝：　

ａ　Ｘ　

图３　顶煤力学模型　

２．２．１基本假设　

煤体在集中应力及自重等的作用下，有沿倾斜　

方向滑动的趋势。因为煤体与顶底板的界面是煤体　

相对顶底板岩石运动的滑动面，所以提出以下假　

设：　

（１）煤体与顶底板滑移面上的正应力　与剪　

应力ｒ　之间满足应力极限平衡的基本方程：　

７－　＝一［　ｔａｎｑ￣０＋Ｃ０］　（１）　

（２）在Ｘ＝Ｘｌ处，［　］　：　．＝ｋｙＨｃｏｓａ，ｏ－　＝　

２　

Ａ［ｏ－　］　：　．＝ＡｋｙＨｃｏｓｃ￣，Ａ为侧压系数。　

（３）煤体对称于　轴。　

２．２．２基本方程　

当煤体从顶底板间被挤出时，煤层界面应力应　

满足应力极限平衡方程；煤层界面附近某个邻域内　

煤体应力满足应力平衡微分方程。　

ｄｘ　

＋　

ｄ，　

＋Ｘ：０　（２）　

＋　＋Ｙ：０　（３）　

ｄｘ　ｄ，　

２．２．３极限平衡区应力分析　

根据数理方程及解析推导，运输平巷上方应力　

极限平衡区的高度可用下式计算：　

［一］（４）　

［　］（５）　

将处于极限平衡状态，如图４所示。　

ｋ＇ｙＨｃｏｓａ　

ｋ俐　ＣｏＳ　／　

Ｙ　／　

ｌ　

－　

１　＿＿Ｘ　

Ｉ　

ｘｌ　２Ｍｃｏｓａ　Ｘ　

Ｌ　

图４　应力极限平衡状态顶煤的应力分布　

因此，顶煤处于应力极限平衡状态的最大高度　

Ｈ为：　

Ｈ＝（Ｘｌ＋２Ｍｃｏｓａ＋　２）・ｓｉｎ　（６）　

也就是说，当顶煤的阶段高度低于Ｈ时，则　

整个煤体将在矿山压力的作用下处于不稳定状态，　

即顶煤是可放的。Ｈ即为顶煤的最大阶段高度。　

维普资讯

许红杰等：３．５—１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤阶段高度的确定　２００６年第２期　

３数值模拟　

３．１模型建立　

利用ＦＬＡＣ。。软件，以内蒙古太西煤集团炭窑　

沟煤矿二。煤层巷柱式放顶煤开采为基础，建立模　

型进行数值模拟，其各项参数如表１所示。　

表１　二。煤层巷柱式放顶煤开采参数　

根据式（４）、式（５）计算得知：Ｘ．＝　

２．８４ｍ，Ｘ２＝３．２３ｍ，则Ｈ＝１２．５ｍ。　

因此，为保证阶段内所有煤体都处于极限平衡　

状态，将阶段高度定为１２．５ｍ。　

３．２模拟方案　

根据建立模型的实际情况，确定选取阶段高度　

分别为８ｍ，１３ｍ和１８ｍ三种情况，模拟顶煤是否　

处于应力极限平衡状态。　

３．３模拟结果分析　

模拟结果如图５所示。从图中可知，当阶段高　

度为８ｍ时，阶段内大部分煤体都处于剪切或拉伸　

破坏状态，顶煤处于应力极限平衡状态。当阶段高　

度为１８ｍ时，中间有一段煤体没有发生任何形式　

的破坏，即处于原岩应力状态。而当阶段高度为　

１３ｍ时，虽然阶段内有一部分煤体没有发生破坏，　

但这部分范围很小，且处于破坏煤体的包围之中，　

对顶煤的垮落基本没有影响。因此，最终确定　

１２．５ｍ为合理的阶段高度。　

（ａ）阶段高度８ｍ　

４主要结论　

（１）对３．５～１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤开　

采，阶段顶煤高度确定的基本理论依据是保证顶煤　

（ｂ）阶段高度１３ｍ　

（ｃ）阶段高度１８ｍ　

图５不同阶段高度顶煤破坏区域　

体在矿山压力的作用下处于应力极限平衡状态。　

（２）通过弹塑性理论和数值模拟研究对３．５～　

１０ｍ大倾角煤层巷柱式放顶煤开采顶煤体的力学模　

型分析得知：运输平巷上方应力极限平衡区的高度　

和回风平巷下方应力极限平衡区的高度　之间　

相距小于２Ｍｃｏｓｃｔ时，整个煤体将处于极限平衡状　

态，即合理的阶段高度为：　

Ｈ＝（Ｘｌ＋２Ｍｃｏｓｃｔ＋Ｘ２）・ｓｉｎｃｔｏ　

［参考文献］　

［１］许红杰．３．５～１０ｍ急倾斜煤层巷柱式放顶煤开采技术研究　

［Ｄ］．北京：煤炭科学研究总院，２００５．　

［２］闫少宏．急斜煤层开采上覆岩层运动的有限变形分析［Ｊ］．　

矿山压力与顶板管理，１９９４（３）：２４－２８．　

［３］王卫军，侯朝炯，等．急倾斜煤层放顶煤分段高度的合理确　

定［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００１（５）：３５５—３５８．　

［４］马念杰，侯朝炯．采准巷道矿压理论及应用［Ｍ］．北京：煤　

炭工业出版社，１９９５．　

［５］王卫军，朱川曲，等．急倾斜煤层巷道放顶煤理论与实践　

［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２００１．　

［６］钱鸣高，石平五，等．矿山压力与岩层控制［Ｍ］．徐州：中　

国矿业大学出版社，２００３．　

［责任编辑：邹正立】　

３　

本文标签： 煤层应力放顶阶段开采