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摘要：针对某煤矿煤炭资源回收率低、资源浪费严重的问题，在4303工作面上使用无煤柱开采技术，运用FLAC 3D软件对工作面压力显现建立数值模拟，并进行受力分析与现场实测。结果表明：使用无煤柱开采技术切顶沿空留巷后，顶底板下沉量基本稳定在70 mm左右，巷道开拓量减少，资源回收率上升，增加矿井开采寿命。
关键词：无煤柱开采；数值模拟；切顶卸压
0概况
为了解决某煤矿产能低，资源浪费严重等问题，采用无煤柱切顶沿空留巷技术对4303工作面进行现场实测。4303综采工作面所采煤层为5#煤，推进长度224 m，宽度117 m，煤层厚度4.6～5.2 m，平均厚度4.9 m，平均倾角10。。4303工作面进风巷规划沿5#煤层顶板掘进，采取长壁一次采全高采煤工艺，采高限制在4.9 m以内。4303工作面原先留有一个煤柱，煤柱宽度为25 m，导致工作面损失煤炭25万t。同时该工作面还是煤与瓦斯突出煤层，巷道掘进前需实施消突措施，造成巷道掘进速度下降。因此选择无煤柱开采技术来实现工作面开采的安全性，并且降低煤炭资源的损失[1]。
1数值模拟
使用FLAC 3D软件对某煤矿4303工作面进行数值模拟，模拟矿山压力曲线图[2]，分析4303工作面超前支承压力的分布特征，切顶沿空留巷巷道的受力变形规律。经过对某煤矿工程地质资料的考量，通过研究岩体塑性破坏尺寸，将回采巷道部分的模型加密，建立4303工作面数值模拟计算模型，模型设计尺寸350 m×20 m×52 m。
2受力分析
2.1矿井压力分析
随着工作面推进，峰值距煤壁的距离与垂直应力受到直接影响。4303工作面开采采空区中部顶板垂直应力曲线图如图1所示。在工作面开采至100 m时垂直应力为23.7 MPa，200 m时为24.4 MPa，300 m时为12.5 MPa；对应的在100 m时应力集中系数为2.5，200 m时为2.4，300 m时为1.3。经过对垂直应力的变化研究发现，回采距离持续增加，采空区中部顶板垂直应力曲线的表现为先上升，工作面开采至150 m时，采空区受力出现峰值，随后垂直应力曲线逐渐下降，工作面开采至300 m时，采空区受力逐渐进入平稳状态。
根据图1得出数据可知，当工作面掘进300 m时，工作面已达到充分采动状态。因此，对工作面掘进300 m后充分采动条件下的超前应力进行分析。
2.2工作面未采动与采动条件下巷道围岩受力变形分析
随着工作面的不断推进，巷道两帮与顶底板处均出现应力集中，发生不同程度变形情况[3]。沿空巷道塑性破坏不大，煤柱未发生塑性破坏，工作面的推进对沿空巷道干扰较小，工作面回采后，塑性区破坏总体在巷道围岩的1 m以内。
2.2.1工作面回采宽煤柱条件下巷道围岩受力变形分析
4303工作面区段煤柱宽度为25 m，采空区附近煤柱的应力集中非常明显，峰值达到38.3 MPa，对应应力集中系数达到3.83，而沿空巷道附近煤柱的应力集中只有21.5 MPa，应力集中系数为2.15。出现这种情况的是因为巷道掘进时形成的采动应力对采空区的煤柱产生影响的缘故。沿空巷道附近的塑性破坏界限随着工作面推进逐渐扩大，但总体破坏并不明显，巷道周边1 m范围是塑性破坏主要出现的区域，巷道整体趋于稳定状态[4]。
2.2.2工作面回采窄煤柱条件下巷道围岩受力变形分析
假设窄煤柱的宽度为5 m，通过对5 m窄煤柱条件下工作面围岩应力及塑性破坏的分析，可以看出，窄煤柱中部存在明显的应力集中，应力集中程度大，峰值为52.5 MPa，最大应力集中系数5.25，是宽煤柱应力峰值的1.4倍。工作面窄煤柱留设5 m，窄煤柱则全部处于塑性区，煤柱内部出现变形，导致煤柱无法承载矿井压力[5]。所以，5 m窄煤柱的设计无法实施。
3实际应用
依据4303工作面采空区及煤柱分布特点，在切顶沿空留巷试验段留设7个监测站，试验段长度为124 m试验段第一测站安设切眼处，第二测站距离第一测站10 m，以此类推，往后每一个测站都推后10 m距离。
3.1顶板下沉量
切顶沿空留巷安设的7个测站中，其中6个监测站测出顶板下沉量的有效数据，图2、图3是通过监测数据绘制的巷道中部与道采空区侧顶板下沉量的变化曲线。
从图中可以看出，各个测站的顶板下沉规律大致相同，巷道中部顶板与采空区侧顶板的下沉曲线相似，巷道中部顶板随工作面回采的下沉量要低于采空区侧边的下沉量，巷道两帮变形无规律；采取无煤柱开采技术切顶卸压后，矿压回到平衡状态，顶底板下沉量减小，基本稳定在70 mm左右，沿空留巷效果明显，大大提高了煤炭资源回收率。
3.2帮部收敛量
切顶沿空留巷安设的7个测站中，其中6个监测站测出巷道帮部收敛量的有效数据，分别绘制巷道帮部与采空区侧巷道的收敛曲线，如图4、图5所示。
从图中可以看出，随着工作面推进采空区侧巷帮收敛曲线是通过锚网受采矿井压力而挤向巷道中部方向的变形量而得出的。根据试验得知，变形量最大的区域在巷道中部。收敛变形和巷道两帮的变形大体相似，从工作面切眼处开始推进至35 m、35~65m以及70 m以上收敛变形要经历以下三种时期：
1）初始变形时期：该时期工作面从切眼处推进到35 m处时，巷道侧壁收敛变形较小。在开采的影响下，巷道顶板在0~35 m内主要以铰接形式存在。顶板上方应力应力未充分作用于煤壁，巷道帮部在初始阶段较为平稳；
2）快速变形时期：工作面推进至35~50 m之间，采空区侧巷道变形较为明显，工作面到推进范围35~65 m之间，煤壁两帮变形较为明显，变形呈现为对称破缺。采空区侧巷道收敛变形量要远大于煤壁两帮。在此阶段，采空区侧巷道收敛变形量超出总变形的70%。变形的主要原因是该区域的巷道顶板情况基本稳定，上部和顶板应力快速影响巷道两帮，产生较大变形量；
3）持续变形时期：工作面继续推进超过70 m后，巷道顶板情况持续稳定，两帮变形快速降低，直至回到平衡状态。采空区侧巷道状态也趋于平稳。巷道帮部在工作面推进70 m后的移近量基本维持在1 400~1 900 mm范围内，采空区侧巷道在工作面推进70 m后的移近量基本维持在1 700~2 200 mm范围内。
4结论
以某煤矿4303工作面作为沿空留巷测试工作面，对其进行数值模拟，受力分析以及现场测试。对运输巷受到开采影响时的顶板下沉与收敛变形进行实验研究，得出结论如下：
1）使用无煤柱切顶沿空留巷技术，减少巷道开拓量，节约煤炭资源。4303工作面使用无煤柱开采技术后，顶底板下沉量减小，沿空留巷效果明显。
2）巷道中部顶板与采空区侧顶板的下沉曲线相似，巷道中部顶板随工作面回采的下沉量要低于采空区侧边的下沉量，巷道变形呈现无明显规律；采取无煤柱开采技术切顶卸压后，矿压回到平衡状态切顶沿空留巷后巷道与顶底板下沉量明显减小，基本稳定在70 mm左右。
3）无煤柱切顶沿空留巷巷帮收敛具有以下特点：第一，采空区侧巷道收敛变形量远大于煤壁两帮，巷帮收敛变形呈现无明显规律；第二，巷帮与采空区侧巷道变形过程都表现出初始、快速以及持续三个阶段性，并且变化范围大致相同；第三，无煤柱开采稳定后，巷帮与采空区侧巷道都会进入比较稳定的状态。最终巷帮移近量维持在1 400~1 900 mm之间，采空区侧巷道采空区侧巷道移近量维持在1 700~2 200 mm之间。
参考文献
[1]宋哲强.切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术[J].能源与节能，2022（9）：129-131.
[2]于健浩.大采高工作面小（无）煤柱开采技术适应性研究[J].煤炭工程，2022，54（9）：6-11.
[3]朱珍，何满潮，王琦，等.柠条塔煤矿自动成巷无煤柱开采新方法[J].中国矿业大学学报，2019，48（1）：46-53.
[4]马新根，王炯，武海龙，等.塔山煤矿回采工作面无煤柱开采切顶爆破试验研究[J].煤炭科学技术，2018，46（S1）：27-32.
[5]谢和平，张泽天，高峰，等.不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究[J].煤炭学报，2016，41（10）：2405-2417.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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巷道无煤柱开采数值模拟及实验分析论文
人参与 2024-11-01 10:12:33 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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