) ( g・cm - 3 ) 角 / ( ° 2165 2150 1135 2150 2153 2152 1135 2150 35 30 25 35 25 30 25 35
细砂岩 粉砂岩
细砂岩及粉砂岩 16120
3下 煤 6167 20147
细砂岩
3 数值计算
为掌握 3下 煤开采后上覆岩层的垮落特征和 3上 煤的顶底板破坏情况 , 采用 RFPA 数值计算软件 [ 14 ] 分析研究岩层的垮落特征 , 从而为 3上 煤的开采 工艺设计提供理论依据 。 10
Hm = M ∑ ±215 211 ∑ M + 16
[ 15 - 17 ]
1 —4303 工作面运输巷 ; 2 —4303 工作面辅助运输巷 ; 3 —4302
工作面辅助运输巷 ; 4 —4302 工作面运输巷 ; 5 — 预测 4303 工 作面 3 煤层开采垮落带高度 ; ①, ②, ③— 钻孔编号
1 概 述
济宁三号煤矿在技术装备水平和开拓开采系统 已建立并确定的矿井投产初期 , 难以实现 3上 、 3下 同时安全 、有序地生产 , 在技术上和管理上也存在 一定的困难 。矿井为了快速达产 , 优先开采 3下 煤 , 现 4 采区 3下 煤 5 个工作面均已开采完毕 , 但 3上 煤
基金项目 : 教育部 “ 新世纪优秀人才 支持计划 ”基 金资助项目
(NCET - 05 - 0480)
的开采是矿井可持续发展的必需 , 是能源回收必须 坚持的根本原则 。因此 , 3下 煤开采对 3上 煤究竟有 多大影响 , 能否破坏其完整性和开采的可能性 , 何 时开采以及如何开采等众多技术问题是济宁三号煤 矿必须解决的问题 。 国内外的上行开采工程实践始于 20 世纪 70 年 代 , 在世界采矿界广泛关注和研究的同时 , 并有计 划地进行试采 。 20 世纪 80 年代 , 上行开采作为一 种较为成熟的技术应用于煤矿设计 、矿井技术改造
2
( 1. J in ing N o13 M ine, Yanzhou Coa l M in ing Group Corpora tion L td. , J in ing 272169, China;
2. S tate Key L ab of Coa l R esources and M ine Safety, Ch ina U niversity of M in ing and Technology, X uzhou 221116, Ch ina)
表 1 主要围岩力学参数
岩性 粉砂岩 泥岩
3上 煤
图 1 数值计算力学模型
3 12 模拟结果分析
当工作面推进 10 m 时 , 直接顶在覆岩压力作 用下开始下沉 , 裂隙发育 , 断裂带高度约 1 m。当 工作面推进 30 m 时 , 直接顶开始垮落 , 垮落高度 约为 2 m , 裂隙发育至 5 m 左右 。当工作面推进 40 m 时 , 上覆岩层有弯曲下沉现象 。由于各岩层的岩 性不同 , 顶板出现离层 。工作面推进至 50 m 时 , 顶板大面积垮落 , 工作面发生初次来压 。以后随着 工作面的继续推进 , 顶板垮落的高度进一步增加 , 垮落下来的破碎矸石充填采空区 , 裂隙带的高度也 进一步的向上发育 , 工作面煤壁有片帮现象 。当工 作面推进到 100 m 时 , 垮落带的高度约为 15 m , 裂隙带的高度为 45 m 左右 。 3上 煤层处在裂隙带 中 , 煤层连续性保持完好 。图 2 为工作面推进 80 m 时效果图 。
Abstract: The paper discovered the feasibility of the upward m ining technology to the top coal caving m ining condition in thick seam for the m ine sustainable development . According to the geological conditions of the No14 m ining block in No13 J ining Coal M ine, w ith the numerical calculation, theoretical analysis, site measured statistical analysis and industrial trial, the paper had a research on the develop 2 ment features of the failed sub 2zone in the strata above the goaf and discussed the feasibility of the upward m ining technology under the top coal caving conditions . The paper fully analyzed and solved the upward m ining p roblem under the top coal caving in the thick seam of No13 J ining Coal M ine. The research results showed that the height of the falling zone from the theoretical calculation and the site meas2 urement ware basically the same and were 1415 ～19115 m and 1816 ～2117 m individually . The numerical sim ulation analysis showed that the fissure zone at the No13B seam was w ithin the fissure zone after the coal m ining operation of the No13 seam and the continuity of the seam was well kep t . Key words: thick seam; top coal caving; upward m ining; numerical calculation
9
2009 年第 6 期
煤炭科学技术
3 11 模型建立
第 37 卷
及老 矿 区 的 复 采 工 作 中 , 获 得 了 丰 富 的 实 践 经 [ 1 - 13 ] 验 。 然而 , 在放顶煤条件下进行上行开采在目前尚 无报道 , 因此 , 开展 3上 煤开发研究无论从理论上 还是生产需要方面都是必要的 。
2 工程概况
济宁三号煤矿 4 采区位于济宁三号井田的东区 中部 , 采区东西宽 1 ～112 km , 南北长 116 ～ 118 km 。 3上 煤层位于山西组中部 , 可采范围内煤厚 0176 ～ 2143 m , 平均 1148 m , 可采性指数 0189, 可采范围煤厚变异系数 0127, 为较稳定煤层 。煤 层结构简单 , 3上 煤层顶板以粉砂岩为主 , 次为泥 岩 、细 、中粒砂岩 , 偶有炭质泥岩伪顶 , 底板以 粉 、细砂岩为主 , 次为泥岩 , 偶为中粒砂岩 。 3上 采区面积 1139 km , 以气煤为主 , 煤层倾角 5 ～ 8° 。 3下 煤层位于山西组下部 , 煤厚 4198 ～7126 m ,
2
模型沿走向方向取 200 m , 垂直方向取 90 m。 由于 3上 煤的厚度为 2 m 左右 , 如果模型垂直方向 取的很大 , 则不易观查 。计算中对性质相近的岩层 作合并处理 , 在岩层间加入了强度很小的薄弱层作 为层理 , 采用平面应变模型 。边界条件为 : 水平方 向无位移 , 垂直方向底板固定 。模型中各岩层的灰 度代表岩层力学参数 (如弹性模量 、抗压强度等 ) 的大小 , 灰度越亮 , 其值越大 。主要力学参数见表 1, 模型如图 1 所示 。
第 37 卷第 6 期
2009 年
6月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol1技术研究与应用
陈 勇 , 王红胜 , 郭念波
1 2 1, 2
, 张东升
2
( 11 兖州煤业股份有限公司 济宁三号煤矿 , 山东 济宁 272169; 21 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 , 江苏 徐州 221116)
厚
弹性模 抗压强 泊松
密度 /
内摩擦
度 /m 量 / GPa 度 /MPa 比
13115 10148 1100 1618 6115 810 710 410 710 610 515 410 710 80 70 35 65 45 50 40 65 0130 0130 0125 0125 0127 0126 0125 0125
Research and Applica tion of Upward Top Coa l Cav in g M in in g Technology in Th ick Seam
CHEN Yong , WANG Hong2sheng , GUO N ian 2bo
1 2 1, 2
, ZHANG Dong2sheng
2D
图 2 工作面推进 80 m 效果
综上所述 , 3下 煤的开采对 3上 煤影响不是太 大 , 3上 煤处于 3下 煤开采后的裂隙带内 , 但煤层连
陈 勇等 : 厚煤层上行开采放顶煤技术研究与应用
2009 年第 6 期
续性保持完好 , 采取一定的技术措施可以进行正常 开采 。
4 计算分析
摘 要 : 为了矿井的可持续发展 , 探索在厚煤层放顶煤条件下上行开采技术的可行性 。针对济宁三 号煤矿 4 采区地质条件 , 综合运用数值计算 、理论分析 、实测统计分析以及工业性试验等方法 , 研 究了该采空区覆岩破坏分带发育特征 , 探讨了在放顶煤条件下进行上行开采技术的可行性 , 较全面 地分析和解决了济宁三号煤矿厚煤层放顶煤条件下的上行开采问题 。研究结果表明 : 理论计算和现 场实测垮落带高度基本一致 , 分别为 1415 ～19115 m , 1816 ～2117 m。数值模拟分析表明 3 煤处于 3下 煤开采后的裂隙带内 , 但煤层连续性保持完好 。 关键词 : 厚煤层 ; 放顶煤 ; 上行开采 ; 数值计算 中图分类号 : TD82211 文献标志码 : A 文章编号 : 0253 - 2336 ( 2009 ) 06 - 0009 - 05