特定條件下 4m厚煤層分層開采優(yōu)勢分析

田志超,王傳朋,劉業(yè)嬌

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010)

特定條件下 4m厚煤層分層開采優(yōu)勢分析

田志超1,王傳朋2,劉業(yè)嬌3

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010)

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高,由于特定條件的限制,分層開采仍然是厚煤層開采的重要方法之一。以白莊煤礦為研究背景,通過分析煤層厚度、采深、頂板巖性等影響分層開采的主要因素,確定端面頂板的穩(wěn)定性是影響工作面采煤方法選擇重要因素。合理的采煤方法必須能保證其端面頂板的穩(wěn)定性,通過對端面頂板穩(wěn)定性和煤壁片幫特征的分析,綜合對比大采高和分層開采的頂板完整性以及煤壁片幫程度,確定分層開采的優(yōu)越性。

中厚煤層;開采方法;煤壁片幫;可行性分析

隨著煤礦機(jī)械化程度的提高,由于特定條件的限制,分層開采在有些礦區(qū)仍然是厚煤層開采的重要方法之一。從國內(nèi)開采現(xiàn)狀看,影響分層開采的主要因素有煤層強(qiáng)度、煤層厚度、采深、頂板巖性等。在實(shí)踐過程中,端面頂板的穩(wěn)定性也影響著工作面采煤方法的選擇,因此,對端面頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行可靠性分析是十分必要的。

1 工程概況

本文以白莊煤礦為研究背景,白莊煤礦 3704工作面位于 BF2斷層南東,F03斷層北西, -250m膠帶巷以東,3700膠帶巷南西。該面區(qū)域范圍煤巖層整體上呈單斜構(gòu)造,向南西方向仰起。煤層走向約在 900～1250m,傾向約在 0～350m,傾角約 5～11°,平均為 8°。工作面受 F03,BF2,BF67和BF81斷層的影響,附生斷層較多,特別是運(yùn)中巷道,斷層更為發(fā)育,實(shí)際揭露 13條斷層,回采過程中可能會遇到其他隱伏構(gòu)造。

煤層厚度平均為 4.0m,從煤層全區(qū)分布看,煤層厚度變異性不大,結(jié)合其地質(zhì)資料可考慮 2種開采方法：分層開采和大采高開采。

2 分層開采與大采高開采比較

該礦煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,在煤層上部有一層粉砂巖夾矸,煤層傾角較平緩,煤層硬度系數(shù) f=3。另外,該礦煤層還具有以下特點(diǎn)：裂隙不發(fā)育,煤層中有夾矸,頂板能隨采隨落,基本頂來壓明顯。

與放頂煤開采相比,最佳的開采方法是大采高和分層開采,但其關(guān)鍵問題是要考慮煤層頂板的整體可控性。

2.1 端面頂板穩(wěn)定性分析

對端面頂板穩(wěn)定性從以下幾個方面進(jìn)行分析：

(1)頂板結(jié)構(gòu) 煤層頂板為厚度 0.3～1.5m的泥巖,厚度為 10～15m的砂巖,上部為砂巖與泥巖互層。煤層頂板整體上屬于厚度較小的薄基巖、厚表土層結(jié)構(gòu)。在基巖部分,巖性整體偏弱,但存在關(guān)鍵層,對煤層開采有利。

(2)端面頂板穩(wěn)定性分析 主采煤層頂板屬中等強(qiáng)度以下巖層,單軸抗壓強(qiáng)度平均 76MPa,煤層抗壓強(qiáng)度 6.72～21.17MPa,平均值為 13.9MPa;煤層裂隙發(fā)育,具有分層特征。

大采高開采技術(shù)中的采高一般為 4.0～5.5m。由于煤層的分層性、裂隙發(fā)育性、低強(qiáng)度特征,采煤機(jī)割過后,會出現(xiàn)片幫;采高越大,片幫愈深。在周期來壓期間,基本頂?shù)臄嗔?對直接頂板產(chǎn)生剪切和壓縮破壞。采煤機(jī)割煤后,在機(jī)道上方的頂板出現(xiàn)拉伸破壞。由于直接頂板為松軟、厚度小的易破壞巖層,因此,在周期來壓期間會出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)與剪切破壞區(qū)的貫通破壞,見圖 1。這種破壞一旦出現(xiàn),由于基巖厚度小,會發(fā)生大面積切頂事故 (見圖 2)。

圖1 大采高開采出現(xiàn)的端面破壞

圖2 基本頂發(fā)生剪切破壞的形態(tài)

采取分層開采技術(shù),采高一般為 2.2～2.5m,破壞范圍較小,一般不會發(fā)生大面積切頂事故。

2.2 煤壁片幫的力學(xué)分析

煤壁發(fā)生片幫在很多情況下都是由于煤壁邊緣處支承壓力過大,使得工作面邊緣煤體發(fā)生破壞,即工作面發(fā)生片幫。圖 3為大采高開采的頂板運(yùn)動,煤壁附近 (A處)單元體處于單向受力狀態(tài),當(dāng)支承壓力超過煤體單軸抗壓強(qiáng)度時,煤壁出現(xiàn)壓縮破壞,片幫即可發(fā)生。

圖4為分層開采頂板運(yùn)動,與大采高開采同一地點(diǎn) (B處)的煤體受力由簡單應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài) (如圖 5),σx的大小與煤體強(qiáng)度(RC)、裂隙發(fā)育程度、頂板壓力及支架的初撐力(P0)和工作阻力 (Pm)有關(guān)。在其他因素不變的條件下,增加支架阻力,可增大σx,對頂煤的穩(wěn)定有利。

圖3 大采高開采頂板運(yùn)動

圖4 分層開采頂板運(yùn)動

圖5 B區(qū)域單元體受力

煤巖體發(fā)生剪切破壞,應(yīng)用庫侖準(zhǔn)則,即認(rèn)為,使平面破壞的剪應(yīng)力受到黏聚力和法向應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦力阻抗,所以剪切破壞準(zhǔn)則可以表示為：

式中,σ,τ為平面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力;C為黏聚力;f為內(nèi)摩擦系數(shù);φ為內(nèi)摩擦角。

莫爾—庫侖準(zhǔn)則的破壞條件為：

庫侖準(zhǔn)則的基本表達(dá)式中,變量為破裂面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力;用主應(yīng)力表達(dá)的庫侖準(zhǔn)則如圖 6所示。應(yīng)力圓與庫侖準(zhǔn)則線相切時,巖石達(dá)到強(qiáng)度極限狀態(tài),則主應(yīng)力σ1,σ3應(yīng)滿足如下條件：

圖6 三軸壓縮極限應(yīng)力圓

采用大采高和分層開采時,頂板處的煤體受到的第一主應(yīng)力不變。但當(dāng)采用大采高開采時,σ3基本為零;采用分層開采時,σ3明顯受到支架工作阻力的影響。支架可提供水平應(yīng)力的作用。水平應(yīng)力越大,σ3就越大。這種因σ3的增加而增強(qiáng)頂煤的穩(wěn)定性的力學(xué)解釋見圖 7。這也說明采用大采高有可能出現(xiàn)的煤體破壞在分層開采中可以避免。

圖7 不同應(yīng)力的應(yīng)力圓特征

3 結(jié)論

(1)通過分析影響分層開采的因素及端面頂板穩(wěn)定性和煤壁片幫等特性,針對白莊礦煤層地質(zhì)條件確定 4m厚煤層合理開采方法為分層開采。

(2)通過端面頂板穩(wěn)定性和煤壁片幫力學(xué)分析,綜合對比大采高和分層開采的頂板完整性以及煤壁片幫程度,同時也通過力學(xué)公式進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo),確定分層開采的優(yōu)越性。

(3)合理的開采方法要根據(jù)不同的地質(zhì)條件分析確定。此理論對同等地質(zhì)條件下的煤層開采方法分析具有一定的參考價值。

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[2]孟憲銳,徐永勇,劉環(huán)宇 .難采煤層的分類標(biāo)準(zhǔn)與定量化研究 [J].煤炭學(xué)報(bào),2000.

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Superiority Analysis of Slice Mining 4m-thick-coalseam in Special Condition

TIAN Zhi-chao1,WANG Chuan-peng2,LIU Ye-jiao3
(1.Architecture&Civil Engineering School,Inner-mongolian University of Science&Technology,Baotou 014010,China;2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;3.Mining Engineering School,Inner-mongolian University of Science&Technology,Baotou 014010,China)

With the mechanization degree increasing,slice mining is still one of important method for thick coal-seam because of limit of special condition.Taking Baizhuang Colliery as an example,roof stability between face and support was believed to be an important factor influencing selection of mining method by analyzing thickness of coal-seam,mining depth and roof lithology.Rational mining method must keep stability of roof between face and support.By comparing roof integrity and coal wall slide degree,slice mining excelled full-seam mining.

medium-thick coal-seam;mining method;coal wall slide;feasibility analysis

TD823.4 5

A

1006-6225(2011)01-0041-03

2010-08-12

內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 (2009CN049)

田志超 (1981-),男,山東德州人,講師。