协庄煤矿浅部边界安全煤柱稳定性分析

协庄煤矿浅部边界安全煤柱稳定性分析 协庄煤矿浅部边界防溃水安全煤柱稳定性分析 王金辉 1999级土木工程专业岩土工程班 摘 要:为了保证协庄煤矿的生产安全与煤炭接续，提高工作面煤层的开采上限，根据已有资料及临近矿井资 料，用数值模拟 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对安全煤柱进行分析，研究其开采破坏规律，提高了煤层的开采上限。其结果安全可靠，提高 了煤矿的经济效益，有利于煤炭生产的接续。 关键词:安全煤柱，数值模拟，开采上限 Stability Analysis of the Safety Pillar in Xie Zhuang Colliery WANG Jin-hui, ZHAN Yu-bao, YOU Chun-an (College of Civil Engineering and Architecture, SUST, Qingdao, Shandong 266510, China) Abstract: To ensure the safety and to heighten the exploitation top limit to guarantee the sustainable development of Xie Zhuang colliery, the numerical simulation to the safety barrier pillar is carried on to research its failure law, which provides basis for heightening exploitation top limit. It is proved to be safe and reliable, which profits the colliery and benefits the sustainable coal production. Keywords: safety barrier pillar; numerical simulation; exploitation top limit 1前言 在我国东部许多煤田，由于可采煤层上方覆盖有100,400m第四系含水松散层，为了保证矿井 的安全生产，不得不留有大量的永久性防水安全煤柱。在早期， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 防水煤柱一般多在80m以上。 近几年来，随着“三下”开采技术水平的不断提高及煤炭资源的不断减少，许多煤矿开展了关于提 高开采上限的研究，解放了大量的煤炭资源，为以后的研究积累了诸多成功的经验。 协庄煤矿井田西翼四采二、四层煤煤层露头区位于协庄煤矿四采风井以西，煤层露头东西走向 长450m，走向92?，平均倾角25?。露头区地面位于刘官庄西、汶河北岸，东部为汶河所覆盖。 由于被非法开采、乱采和盗采，近年来四采区二、四层煤露头区域地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明显地下沉，形成连续的斑 裂区，与地表形成直接的水力联系。2002年10月份地表排查发现，四采四层煤露头区，出现地表 斑裂，斑裂下距-50水平四采四层煤总回风巷52.3m，雨季存在地表洪水由斑裂缝泄漏矿井威胁。2003 年5月地表排查发现，在双高矿工广东南方向出现地表斑裂，该斑裂区位于矿井四采二层露头煤柱 上方，下距二层煤57m。矿井二、四层煤浅部的安全煤柱也由于被盗采遭到严重的破坏，使得地方 矿的开采区与协庄煤矿-50水平四采二、四层老空区相连，威胁矿井的安全生产。 为了该矿生产的安全和煤炭接续, 对露头区的残存安全煤柱的稳定性以及抗溃水能力进行分析 和判断，同时为提高该工作面的开采上限提供依据。 2四采二、四层煤煤层露头区物探成果与分析 四采二、四层煤煤层露头区的地质调查采用物探方法。物探采用了地质雷达探测法、高密度电 阻率成像和EH4电磁法等先进的探测手段。探测面积约800m×150m，布置物探测线21条，其 中雷达测线15条，物理点9118个，雷达剖面长度4.56Km;高密度电阻率法测线3条，成像 剖面长度1.8Km。EH4电磁法测线3条，物理点93个。 本次物探探测工作从现场数据采集、资料处理解释等各方面认真细致工作，获得了信噪比较高的 时间剖面、电阻率剖面和可靠的地质解释剖面，通过成果分析，可以得出以下结论: (1)、四采区2煤层采空范围较大，主要集中在采区东侧，汶河河床下、崖头河河床下局部被盗 采。采空区上限标高为+141m，西侧下限标高到+110m，东侧与4201西回风巷间距约10m左右，标 高约+92m。采空区埋深约12~62m。西侧尚余煤柱30余米，东侧煤柱仅10m左右，局部已贯通。 (2)、四采区4煤层采空范围较大，主要集中在采区西侧和中部，崖头河河床下局部被盗采，总 , 回风巷与4401回风巷煤柱局部被盗采。采空区上限标高为+136m，西侧下限标高到+99m，大部分地段已与总回风巷贯通，东侧下限标高约+99m，局部地段已与总回风巷贯通。采空区埋深约18~55m。西侧总回风巷往浅部露头大部分地段无煤柱，4401回风巷与总回风巷煤柱基本完整，局部有盗采。东侧盗采面积相对较小，但4401回风巷与总回风巷煤柱局部有盗采。 3 计算模型及计算参数 3.1 关于Drucker-Prager理想弹塑性材料 在金属材料中，常用的屈服条件是Treaca屈服准则和Mises屈服准则，但是这些屈服条件不适合于岩土材料。这其中最主要的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一是岩土材料在塑性流动变形过程中会产生体胀现象，而这些屈服条件不能反映这一特征。因此，在岩土工程中最普遍采用的是Coulomb屈服准则。用主应力表示的Coulomb屈服条件为: 11f,(,,,,),,(,;)，,(，;)sin,,ccos,,0 (1) c123131322 式中 —材料的粘结力和内摩擦角。 c,, 采用Coulomb屈服准则的时候应该注意是:通过实验发现，大多数岩土材料并没有像采用与Coulomb屈服条件非关联流动法则所得到的体胀结果那么大。尤其是在本问题中，如果简单地采用这一屈服条件，将会得到错误的结论。 Drucker-Prager屈服条件又称广义的Mises屈服准则，它在Mises屈服准则的基础上考虑了静水压力的影响，增加了一个静水压力的影响项: F,3,,，J,k,0 (2) cm2 1,,,(i,1,2,3)式中 ,静水压力，即平均应力: 。 ,miim3 ,应力偏张量第二不变量; 与材料性质有关的参数。 ,,k, 事实上，Drucker-Prager屈服条件是修正的Coulomb屈服条件，在主应力空间中Drucker-Prager屈服条件为一个圆锥体，而Coulomb屈服条件为六面锥体。如果使Drucker-Prager屈服条件的圆锥面与Coulomb屈服条件的六面锥体母线重合，则可导出: ,,2sin6c，cos,k,, 3(3,sin,)3(3,sin,) 显然，Drucker-Prager屈服条件和Coulomb屈服条件有相同的性质，采用与Drucker-Prager屈服条件非关联流动法则所得到的体胀结果要比实际情况大得多。分析式(2)可以看出，塑性流动得体胀现象与值有关，如果,0，则Drucker-Prager屈服条件退化为Mises屈服条件，没有体胀现象。,, ,,为了能如实地反映实际得流动体胀性质，将与有关的值变为，将称为膨胀角。这样，形,,jj (,,,,c)式上将两参数的Drucker-Prager屈服条件模型变为三参数的塑性力学模型。 j 本次分析就是采用Drucker-Prager模型。 3.2计算参数 本次分析就是在大型有限元软件ANSYS上进行的。用D-P材料模拟岩石与煤层，为了便于分析，将实际问题简化为平面应变问题。为了确保计算结果的安全，计算参数选取时根据《新汶矿务局协庄煤矿煤岩物理力学性质试验及冲击倾向鉴定》的成果并考虑岩体与岩石试件的物理力学性质的差异性进行参数折减后选定的，按照岩层与煤层的关系对各层岩石进行编号，具体的参数见表1。 , 表1 计算参数 Table 1 Parameters 3o 密度(kg/m) 弹模(GPa) 泊松比 凝聚力(MPa) 内摩擦角() 1 2100 5 0.4 5 45 2 2650 10 0.38 8 42.7 3 2610 10 0.3 10 49 1450 5 0.45 1 10 4(煤2) 5 2610 10 0.4 2 26.6 6 2600 15 0.26 10 31.6 1300 6 0.45 1 18 7(煤4) 8 2600 15 0.26 10 39 3.3 计算范围及模型 为了减少计算边界对结果的影响，本次计算水平方向取440m，竖直方向取160m，在水平方向上 施加X方向约束，在竖直方向上施加Y向约束，计算模型与网格划分如图1所示。 图1 模型网格划分 Fig.1 Mesh of the model 4 数值模拟情况及最小安全煤柱计算成果分析 表2 最小安全煤柱计算成果分析 Table 2 Analysis of minimum safety barrier pillars 煤柱长度(m) 收敛情况 计算分析 塑性区虽然没有完全贯通，但整个煤柱的塑性区分布范围比较广，且在计算20 否 时不收敛，说明整个煤柱也已经发生了失稳破坏，也形成了水力连续的通道。 23 否 塑性区分布范围较广但不连续，可视为临界状态。 煤柱的塑性区已经明显减少，只是在煤柱的上方，由于应力集中出现了小部25 是 分的塑性区。 (a) (b) (c) 图2 20m、23m、25m时塑性应变分布云图 Fig.2 Plastic strain distribution nephogram , 5 结论 根据实际地质资料、物理探测结果和数值模拟，确定协庄煤矿2层煤浅部防溃水安全煤柱的最小长度不应小于23,25m，4层煤的防溃水安全煤柱最小长度略小于2层煤，不应小于16m。实际工作面开采证明，这是安全可靠的，并且取得了很好的经济效益与社会效益。 参考文献: [1] 李法柱，王根盛，张统俊. 葛亭煤矿3煤提高开采上限研究与初步实践[J]，煤炭学报，2003(1):50-51. [2] 苏毅, 徐德成.新集二矿东翼11-2煤层提高开采上限的研究与实践[J],中国煤炭地质,2004(16):29-31. [3] 王祥河.提高开采上限的实践与突破[J]，煤炭技术，2004(8). [4] 亓宏兵.七五煤矿提高3煤开采上限的研究[J],煤田地质与勘探,1999(27): 43-45. [5] 张明，刘传武，赵武升. 应用数值模拟方法研究煤层覆岩破坏规律[J]，煤炭科技，2003(4):6-7. [6] 陈恩玉.对提高矿井回采上限的分析[J]，煤矿现代化，2005(4):93. 作者简介:王金辉(1980-)，男，山东诸城人，硕士研究生，从事岩土理论与应用方面的研究。 战玉宝(1978-)，男，山东安丘人，博士研究生，从事岩土力学理论与数值分析方面的研究。 , 5