薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践.pdf
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1、第4 6 卷第9 期2023年9 月采矿与井巷工程薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023韩久方(河南能源化工集团,河南新乡4 53 6 0 0)摘要:赵固二矿当前回采工作区域在煤层隐伏露头松散层下部砾石含水层及基岩风化带含水层下,其上覆巨厚松散含水层、薄基岩对回采工作面产生重大影响,直接关系到安全生产工作。本文对回采作业区域顶板基岩厚度及上覆含水层进行探测,通过运用FLAC3D数值模拟软件预测“两带”高度,根据三下采煤规范以及相关论文选择合理计算方式计算“两带”高度,二者结果高度吻合。
2、根据探测数据、模拟与计算高度合理论证留设防隔水煤(岩)柱及限厚开采措施,实现一次采全高综采,对赵固二矿实现高产高效安全生产具有重要指导作用,对煤炭资源的开发利用有着重大意义。关键词:巨厚松散层;薄基岩;数值模拟;现场探测;隔水煤(岩)柱中图分类号:TD822.3文献标识码:B文章编号:2 0 9 5-59 7 9(2 0 2 3)0 9-0 0 0 7-0 5Practice of leaving sand-proof and waterproofcoal and rock pillars in large mining height face withthin bedrock and thi
3、ck alluviumHan Jiufang(Henan Energy and Chemical Industry Group,Xinxiang 453600,China)Abstract:The current mining working area of Zhaogu No.2 Mine is under the gravel aquifer and the bedrock weatheringzone aquifer in the lower part of the hidden outcrop loose layer of the coal seam.The overlying thi
4、ck loose aquifer and thinbedrock have a significant impact on the mining face,which is directly related to the safety production work.The thicknessof the roof bedrock and the overlying aquifer in the mining operation area were detected.The height of the two zones waspredicted by using FLAC3D numeric
5、al simulation software.According to the three coal mining specifications and relatedpapers,a reasonable calculation method was selected to calculate the height of the two zones.The two results were highlyconsistent.According to the detection data,simulation and calculation,it was highly reasonable t
6、o demonstrate that thewater-proof coal(rock)pillar and the thickness-limited mining measures were set to realize the full-heightfully-mechanized mining at one time,which played an important guiding role in achieving high-yield,high-efficiency andsafe production in Zhaogu No.2 Mine,and was of great s
7、ignificance to the development and utilization of coal resources.Key words:huge thick loose layer;thin bedrock;numerical simulation;on-site detection;impermeable coal and rockpillars北、河南等省薄基岩特厚松散层覆盖下的煤炭资0引言源,可以有效缓解中东部地区煤炭供应紧张的局随着国民经济的迅速发展,中东部矿区煤炭资面,对国民经济平稳运行具有积极作用。但是在薄源趋近枯竭,许多矿井进人了转型发展阶段,挽救基岩特厚松散层覆盖
8、下的生产矿井开始面临突水溃国家煤炭资源,开发中东部地区山东、安徽、河砂风险,事故时有发生。为此许多专家学者在开采责任编辑:任伟D0I:1 0.1 9 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 9.0 0 2作者简介:韩久方(1 9 8 8 一),男,河南新乡人,工程师。引用格式:韩久方.薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设实践 J1.煤炭与化工,2 0 2 3,4 6(9):7-1 1,4 3.72023年第9 期环境不利条件下,为尽可能减少煤炭资源损失开展了研究。杨达明 实测及模拟了厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度;杨洋2 对淮南巨厚松散层含水层下提
9、高回采上限进行了探讨;张安斌3 对巨厚松散层下导水裂隙带高度预测试验探究。以上研究均未在薄基岩厚松散层条件下对于防砂防水煤柱进行合理留设,为此需深人开展大埋深、高应力、薄基岩突水威胁条件下“两带”研究,参考张永刚 4-5 煤柱留设类型转变研究、李江华 间水压作用下防砂安全煤(岩)柱失稳突水溃砂机理研究,对于降低煤岩柱高度,最大限度回收煤炭资源,预防顶底板突水事故发生,实现安全高效生产有着一定意义。赵固二矿井田属于焦作煤田,井田煤层顶板基岩薄,上部被第四系、新近系巨厚松散层覆盖,松散层厚度一般为3 6 0 8 0 8 m,基岩厚度薄,埋深大,井田浅部大部分区域基岩厚度小于50 m,采厚为3.5
10、6.5m。井田地质构造复杂、断层较多,顶底板含水层通过断层和隐伏露头具有较好的连通性。赵固二矿井田煤层上覆松散层厚度大、富水性强、承压水压力大,同时其基岩薄、底板层厚/m岩性585.32585.3293.31678.63316.78695.406.94702.354.95707.308.99716.293.62719.91表2 基岩段各岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of each rock mass in bedrock section岩性泊松比表土0.23泥岩10.23中砂岩10.27砂质泥岩0.28中砂岩20.26泥岩
11、20.24二煤0.25泥岩30.24石灰岩0.30模拟以勘0 8 孔揭露地层结构建立模型,通过钻孔资料中各岩层的厚度以及各岩体物理力学参8煤炭与化工隔水层薄,为保证赵固二矿的安全回采工作,需深入研究其“两带”发育情况,以及在保证安全回采的前提下提高开采上限,合理论证煤(岩)柱的留设工作。1工程背景赵固二矿1 1 0 3 0 工作面位于井田I盘区中上部,该工作面平均走向长度约2 0 0 0 m,平均倾斜长度为1 6 1 m,主采二1 煤,厚度5.9 2 6.4 3 m,平均6.1 5m,煤层倾角约为2,煤层埋深约7 4 3m,其中基岩厚度1 3 6 5m不等,其余为特厚松散层,属于中东部地区典型
12、的特厚松散层薄基岩煤层。二,煤煤质变化较小,层位稳定,中下部含夹研0 3 层,夹研厚度0.0 1 0.0 3 m,夹研多为黑色炭质泥岩。煤层结构较简单,煤质变化小,属稳定型厚煤层。工作面顶底板岩性见表1。211030工作面导水裂隙带发育高度数值模拟与计算2.1模型的建立此次模拟以赵固二矿1 1 0 3 0 工作面为工程背景,基岩段各岩体物理力学参数见表2。表1 1 1 1 0 3 0 工作面顶底板岩性Table 1 Lithology of roof and floor in No.111030 Face累厚/m累厚/m砂质黏土6.156黏土夹砾石2.05泥岩6.03中砂岩6.15粗砂岩7.3
13、2泥岩1.98中砂岩8.35弹性模量/GPa内摩擦角/()0.252516.02926.53515.03622.53513.0321.932016.03250.040数,构造出数值模拟模型,煤层厚度为6.2 0 m,底板厚度为8 0 m,模拟过程中为便于分析取倾向0,第4 6 卷层厚m岩性728.97泥岩731.02细砂岩737.05泥岩743.20二煤750.52泥岩752.50细砂岩760.85泥岩内聚力/MPa抗拉强度/MPa0.850.127.52.58.36.58.22.58.57.28.02.41.251.38.12.4305.3韩久方:薄基岩厚冲积层大采高工作面防砂防水煤岩柱留设
14、实践倾角9 0。数值模拟模型参数见表3。表3 模型参数Table 3 Model parameters长度/m宽度/m高度/m煤层标识走向采长/m倾向采长/m煤厚/m采厚m二1300700600计算模型的边界条件确定如下:(1)模型前后和左右边界施加水平约束,即边界水平位移为零。(2)模型底部边界固定,即底部边界水平、垂直位移均为零。(3)模型顶部为自由边界,模型如图1 所示。巨厚松散层基岩与松散层分界线基岩三煤底板LYLYILIII巨厚松散层图1 模型示意Fig.1 Schematic diagram of the model(4)岩体判别准则。模拟中岩体采用理想弹塑性本构模型,即莫尔库仑屈
15、服准则描述。0,-0,(o,.to.)tma42a式中:,为最大主应力;,为最小主应力;C为粘聚力;为摩擦角。当满足式(1)时岩体破坏,此外当拉应力超过岩体单轴抗拉强度时,材料发生拉破坏。2.2方案确定该模型共划分为1 4 个地层,共有1 4 3 8 4 1 个单元,1 4 53 7 6 个节点,模拟煤层开采区域宽为1 6 0m、长为3 0 0 m,开采煤层为二1 煤层,模拟方案分为两种:限厚开采3.1 0 m;一次采全高6.2 0 m。模拟方案充分考虑了二1 煤层,限厚开采与一次采全高的不同情况,找到其影响的结果,为大埋2023年第9 期1606.20600二1(1)V1+tan6.2030
16、0160深、高应力、薄基岩具有突水危险煤层的安全回采工作提供一定的科学依据。为保证模拟实验的准确性,模型与工作面垂直走向边界留有2 2 0 m宽的煤柱,与工作面平行倾向边界留有2 0 0 m宽的煤柱,以减少模型运算过程中产生的边界效应。模拟计算分步进行,每次计算推进长度为5m,共计推进6 0 次。根据FLAC3D运算的结果,结合李全生基于Hoek_Brown准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究对其位移场、应力场、塑性区进行分析对比得出结果。2.3覆岩破坏特征模拟结果及分析(1)上覆岩层位移场分布特征。煤层的采出对顶板产生巨大扰动,在重力作用以及各煤层间的相互叠加影响下下沉以至落,通过模拟竖
17、向位移的变化可以了解上覆岩层在煤层采出后竖直方向的运动状况及离层情况等。图2、图3分别为一次采全高回采二1 煤层与限厚开采二1煤从煤层底板直至地表的覆岩垂直位移变化情况。ContourOfz-Displacement1.062 1E-017.5000E-022.5000E-02-2.500 0E-02-7.5000E-02-1.2500E-01-1.750 0E-01-2.123 7E-01图2 二1 煤层一次采全高模型竖向位移等值线图Fig.2 The contour map of vertical displacement withfull-height mining of second1
18、 coal seamContour OfZ-Displacement1.2879E-015.0000E02-5.0000E-02-1.500 0E-01-2.500 0E-013.500 0E-01-4.500 0E-01-5.500.0E-01图3 二1 煤层限厚开采模型竖向位移等值线图Fig.3 The contour map of vertical displacement withthickness-limiting mining of secondl coal seam6.203.1092023年第9 期从以上竖向位移等值线图中可以看出,一次采全高回采后其顶板下沉量比限厚开采的顶板下
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