条带开采留设煤柱置换开采方法的数值模拟研究-2009_it

一媒矿安全口0D901）7条带开采留设煤往置换开采方洁 的数值模拟研究 施喜书”，许家休’“朱卫乒‘“李鼠全’。（1煤炭资源与簧全开采国家重点实验室，江苏涂川221008；又中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221008）摘要：如何在不影响地表建筑物的前提下，对条带开采留设煤柱进行再次开来，提高煤炭资源的采出率是煤矿开采面临的技术难题。本文利用 UDEC数值模拟软件，对采用衣条带开采留设煤柱内开挖充填置换巷道的开采方法迸行了数值模拟，研究得出：在回来率为驸呢的条带开采基础上，置换开采可将回采率提高10％，且没有破坏煤柱和上覆岩层的稳定性；充填巷的条数要控制在两条以内并且要集中布置在留设煤柱中央；对于多个留设谋柱应采用顺序开采等结论。夫键词：条带开采；置换开朵；充填巷；数值模拟；UDEC中图分为号：TD823 87文献标识码：A文章编号：1003－496X2008）01－0007－04 NumericalS伽勿msubmwhon ktraction in Coall，；’lrt－ of St…A4llll ng SHI儿－s＊”，XU恤爿inZ，ZHU Wcib“2，LI En－quanl”（foe鲫＊。m咖V丫价。！彻。u——。MMmS小叭＊hu川删，吼讪八止h！“＊n。叩帅讪吻，价i。＊——旷“M切M召＆几灿n讪w，X删矗。u迎m08，CM训Ahtraot：＊、 to。ir。e i。比。。d pill。J。出p Mning h山。 s。。d th。、11h。h。p。dug山e bd］山ng。山。g叼。nd is a刎。t讪1。】mp一山ein】＊Lngte＊一叮f81e d。。d匣⑤s。——已ho bsnmD。n＊x汀日CD＊n幢团＊＊w—＊二门g鹏比d，wb】oh＊互c恩＊咸ehU【ngm＊狮u呷LDthe coal…far d strip mini。g． The methd is男imulated by UDEC h th pa阳r． The result im凸cates that cod pill。 and。e吻illg stratastay stame啮er笆止stitution创tmotion on tb bAsis d strip俪mug with鹏co＊e刁n磁。of驯％．The filling roadw盯吕should he土dgnedIn 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m煤柱；方案 6：回收4个5 m巷道，中间留4 m煤柱；方案7：置换充填煤柱内中间20 m。 模型初始采用的各岩石岩性的力学参数如表1所示。初始方案中充填村料的力学参数指标如表2所示。在实际的模拟中，先后共对比分析了厂个模型。表1数值模拟计算模型的岩体力学乡数图1综合柱状图模型1：条带开采；模型2－8方案l－方案7巷道充填；模型9－15：方案l－方案7巷道不充填。 模型16－17（可行方案置换再开采顺序比较）：针对可行方案，将要置换开采的3个条带开采留设煤柱依次编号为1、2二，模型川：充填置换顺序为；t－－＋3－－－ty；模型17：充填置换顺序为：2一J一1，与可行模型1：l－－－ty－－－－eq比较分析。1－煤柱屈服区夕－煤柱中的核区 图2煤柱应力分布图 其中，亨＝00049MH，式中，M为开采厚度，m；H力开采深度，m。 按埋深 H为 260 m、开采厚度 M为 4 0 m迸行台理煤柱宽度的估算；则可以得刻理论计算条件下的最小煤柱宽度）10 2m；才能保证置换开采后所留设煤柱有一定的煤柱核区尸存在。4模拟结果分析41可行方案各方案开采后地表的移动、变形的最大值如表 置换开采是在原条采留设的大煤柱中掘进巷道，然后进行充填。在此过程中，一方面，掘充填巷会影响整个置换开采后留设煤柱的稳定性；另一方回，过多的采出原来的大煤柱也会造成地表更大的变形、只有在有效约束了充填巷两侧留设煤柱的变形，使其整体稳定性和承载能力较置换开采前的大煤柱无较大的变化，就可实现安全置换开采。3所示。 由图4和表3可以得出； （l）充填与不充填的对比结果很明显，如果巷道在开挖以后不进行充填，将会破坏煤柱的稳定性，导致地表的倾斜与变形变大，对地面建筑物的破坏也增大。巷道不充填方案均不可行。 以）方案5－方案7的倾斜值均＞3mm／m，超出国家规定的1级变形。不可行。说明在60。的煤柱内布置4条充填置换巷道以及布置刀m的短工3模拟方案 在理论分析、计算基础上，共提出7个置换开采一煤矿安全闪＿－。；）9表3备方秦地表移动．变形最大值模拟什算结果巳舅厂d佃梆条带开采519．3 2．68 0．030 132．7互110含054811巳O00321405I正16XIm豁删三二70．0371657盯互41图3条带开采和置换再开采后煤柱内部 垂直应力变化曲线寅＊＊9冬281队＊＊2邑1州117l藕7681376队k冈197迅回刀回土二富又1429三＊7194队＊＊2互119尸d恻阎豁R771工7q00441976n回刀0含5愚163o5X／m队0刀1496IHl翻85又回22司巳似921732ofn图4条带开采和置换再开采后老顶内部 垂直应力变儿曲线方案5充填力库s不充填方案6充填5852316队＊＊3匕队2176m占9502禾＊7认0562501又14n曰卡d恻糊＊14三3m队0”匕777n方案6不充填方案7充填方案7不充填1115土刀队062沥〕3工2邑n0影响高度lin＊＊4笆314趴0％159了135回图5垂直应力随高度变化曲线763邑375往m以1叽邑且70n 由图3可见，采空区垂直应力分布在置换开采前后没有变化，而煤柱因置换开采巷道的开挖垂直应力分布发生了变化：两条巷道之间的小煤柱基本屈服，应力集中很低，而两侧较大的煤拄上的垂直应力均大于条带开采后的垂直应力，达到了门 uea，但仍低于根据儿队威尔逊法计算所得两侧留设的煤柱能够承受的极限载荷31 MPa，说明置换开采后留设的煤柱是稳定的。作面是不可行的。 门）方案 3和方案 4的倾斜值为 2 94 mm／m和3 05 1lllll，ffem，均接近国家规定的 3 mudm。方案4不可行，方案3存在一定的可能性，但考虑到在实践操作中会存在很大的风险故也不采用。 （4）方案2的地表移动、变形的各项参数均略大于方案1，且两方案的各项参数均在国家规定的1级变形以内，均具备可行性。考虑到条带开采后煤柱的承载时一般表现为两头大，中间相对较小的特』叔，方案1将破坏原大煤柱承载结构，故选择方案1，即：将两条充填置换巷道布置在煤柱的中央。42煤柱及上覆岩层稳定性分析 由图4可见，在条采和置换开采后，老顶岩层中的垂直应力的大小和分布规津一致，说明置换开采井没有破坏老顶岩层形成的结构，结构在置换开采过程中保持稳定。 由图5可见，条带开采后和置换开采后，随覆岩高度变化，煤柱和采空区中部L方的应力分布范围均在 9 7 MPa以内，应力变化的高度在采高的 25倍（10。）左右的范围内；置换开采后煤柱中部的垂直应力沿高度方向衰减较条带开采后快，在到这老顶上部时应力分布与条采开采后一致。说明置换开采后的围岩的垂直应力分布发生变化的范围主要集 置换开采之后留设的小煤柱的稳定性和上覆岩层的稳定性直接失系到地表的移动、变形。针对可行性方案1，在置换开采前后对煤柱和采空区上方的垂宣应力进行了研究。煤柱和老顶内垂直应力分布如图3、图4所示，煤柱和采空区中部上方垂直应力随覆岩高度变化分布如图5所示。一煤矿安全（To。41。）10中在老顶岩层之下的范围内，老顶之上应力分布与条采开禾后趋势一致，置换开采没有破坏老顶之上换开采会引起地表较大的下沉，在置换开采过程中最好采用顺序开采，而不采用先两边后中间的开采顺序。的岩层稳定性。43置换顺序参考文献： 模型中3个条带开采留设煤柱，条带开采稳定后在置换开采过程中采用不同开采顺序对地表移动、变形的最大值变化如图6所示。门〕钱鸣高，许家林，缨协兴煤矿绿色开采枝术门〕中国 矿业大学学报，2M3，32（）：343－347〔习杜计平，汪理全煤矿特殊开采〔M｝徐州：中国矿业 大学出版社，Zbo3：69－76门1吴立新，王金庄，刘延安，等建（构》筑物下压煤条带 开采理论与实践〔川徐川：中国矿业大学出版社，t＜“““’xxx＊C一＿一／M 坟（〔＊＿＿＿梅氧勺＜勺＿＿．＿＿＿1994＊：、》）：沙 观么j卜〕许家林，尤滇朱卫兵，等条带充填控制开采沉陷的 理论研究［川煤炭学报2007，32（2）：119－122（53许家林，朱卫兵，李兴尚。等拄制煤矿开采沉陷的部 分充填升乎技术研究卜7采矿与安全工程学报 22，23（1）；6－1］卜〕朱卫兵，许家林，赖文奇，等覆岩离层分区隔离注浆 充填减沉技才的理论研究卜〕煤炭学报， 2007， 32图6下同开干顺序地表移动＼变形值变化曲线“2厂）二458门〕谬协兴，张吉跄歼石充填采煤中的矿压显现规律分 析（川采矿与安全工程学报Zbo7 24（4）：379－382闷张吉雄，缨协兴煤矿歼石井下处理的研究门〕中国 由图6可得：总体看未，采用不同的置换开采顺序，对地表产生的最终影响没有差异；但在开采过程中，地表移动、变形还是存在着差异。因力中央煤柱处于盆地的中问，从吝个方案均能看出中间煤柱开采后地表的下沉和水平移动值相对变化较大，特别是先开采中问煤住方案，地表的最大下沉值将增加15mm，对应蜘倾斜值变化也较其他方案大；先开采矿业大学学报，2op635（2）：197－200卜〕刘同有，周成浦，金铭良，等充填采矿技术与应用 LMj北京：冶金工业出版社，Zopl：272〔101何国情，杨伦，凌庚梯，等矿山开采沉陷学CM3中 国矿业大学出版社，1991：294－298两边的煤柱会导致地表的下沉梯度增加，井且在开采第二个煤柱之后的倾斜值较其他方案大，曲率会大于煤柱全部置换开采后的最终值，故不采用；采用顺序开采方案会让地表的变形会有一个减低的趋势，和先开采中问煤拄方案相比对保护地表的建筑物来说会更有利，优先采用。（收稿日期：ZM－05－23；责任编揖：梁绍权）结论5 门）在采40 m留60 m的条带开采基础上，可以在不影响地表的前提下把采出率提高10巩，置换开采以后煤柱和老顶保持稳定，地表移动、变形的最大值均都在1级破坏以内。 （2）置换充填巷道的数目要控制在两条以内，并巨要布置在留设大煤柱的中央部位，确保在开采之后留设的边界煤枉的稳定性。 门）各留设煤柱的置换开采顺序对地表移动、变形的最终影响没有差异，但在开采过程中不同的开采顺序对地表的影响存在着差异：中央煤柱的置