魏 東,李文洲

(1.華能能源交通產(chǎn)業(yè)控股有限公司,北京 100362;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013; 3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

A.H.威爾遜煤柱留設(shè)公式的改進(jìn)及應(yīng)用

魏 東1,2,李文洲2,3

(1.華能能源交通產(chǎn)業(yè)控股有限公司,北京 100362;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京 100013; 3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

常用的煤柱留設(shè)公式——A.H.威爾遜公式,因其假設(shè)條件致使實(shí)際工程應(yīng)用中誤差較大,為此,通過數(shù)值模擬軟件對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),并對(duì)比了不同錨桿支護(hù)條件下巷道圍巖位移量,提出了一般條件下煤柱的留設(shè)公式。

A.H.威爾遜公式;煤柱公式;數(shù)值模擬;錨桿支護(hù)

通過諸多煤柱留設(shè)公式的比較,A.H.威爾遜公式因涉及參數(shù)較少且基本能符合工程需要,因而獲得了廣泛的應(yīng)用。但因其假設(shè)條件致使實(shí)際工程應(yīng)用中誤差較大,如何對(duì)該公式進(jìn)行改進(jìn),使之符合實(shí)際需要,是急待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

1 威爾遜核區(qū)理論及區(qū)段煤柱公式

威爾遜以實(shí)驗(yàn)室中的三軸強(qiáng)度值和假設(shè)有一個(gè)未遭破壞的核柱區(qū)和遭破壞的塑性區(qū)為基礎(chǔ)。該理論認(rèn)為:煤柱周圍為一個(gè)破壞帶或讓壓帶。

煤柱的屈服帶寬度 Y可按下式計(jì)算:

式中,m為煤柱高度 (采高),m;H為采深,m。

圖1 區(qū)段煤柱留設(shè)示意

如圖 1所示,區(qū)段煤柱一側(cè)為回采空間,一側(cè)為采準(zhǔn)巷道。采準(zhǔn)巷道和回采空間煤柱兩側(cè)形成各自的塑性區(qū),塑性區(qū)的寬度分別為 a,c。因此,區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件為:煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形以后,核區(qū)的寬度應(yīng)不小于煤柱高度的 2倍。則煤柱的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)為:

式中,a為巷道開挖后在煤柱中形成的塑性區(qū)寬度,m;b為煤柱留設(shè)所需核區(qū)寬度,m;c為上一工作面開采后,在煤柱中形成的塑性區(qū)寬度,m。

式中 c通過改進(jìn)后的A.H.威爾遜公式進(jìn)行計(jì)算,a通過對(duì)甘肅華亭礦具體條件下巷道開挖進(jìn)行模擬,得出在給定斷面條件下,巷道塑性破壞的一般范圍。核區(qū)一般為煤柱高度的 2倍。下面將通過數(shù)值模擬對(duì)公式中的參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

2 威爾遜公式的改進(jìn)

模擬方案分為采深 500m,700m,900m和采高 3m,6m,9m,共 9種情況。對(duì) 9種方案下煤柱產(chǎn)生的塑性區(qū)大小和支護(hù)效果進(jìn)行模擬。通過對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比分析,對(duì)威爾遜煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)。

模型設(shè)置時(shí),煤層部分采用應(yīng)變軟化模型,其余部分采用摩爾模型。為保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度,模擬范圍定為長 ×寬 ×高 =400m×40m×137m的區(qū)域,共 142100個(gè)區(qū)域和 156911個(gè)節(jié)點(diǎn)。不同方案的塑性區(qū)尺寸如表 1所示。

表 1 不同方案的塑性區(qū)尺寸和比例系數(shù)

從表 1中可以看出:模擬結(jié)果中,各方案的煤柱塑性區(qū)寬度與采深、采厚關(guān)系的比例系數(shù)λ (除采深 700m,采厚 9m)均大于 0.00492。在保證煤柱穩(wěn)定的情況下,在相同采深時(shí),比例系數(shù)隨采厚的增大而減小。在采厚 6m時(shí)塑性區(qū)實(shí)際寬度與A.H.威爾遜理論塑性區(qū)寬度公式計(jì)算結(jié)果誤差最大;在相同采厚時(shí),比例系數(shù)隨采深的增大而減小,盡管隨著采深、采厚的增加,比例系數(shù)λ都在減小,但塑性區(qū)寬度都在增大。圖 2為比例系數(shù)與采厚關(guān)系曲線。

圖2 比例系數(shù)與采厚關(guān)系曲線

對(duì)于煤柱留設(shè)公式中參數(shù) c的研究,λ取比例系數(shù)的平均值,即λ=0.00624,則可得深部厚煤層的塑性區(qū)寬度計(jì)算公式為:

3 巷道開挖后塑性區(qū)分析

原始模型仍采用上述模型,巷道斷面為 3m× 4m。巷道開挖后,朔性區(qū)分布如圖 3。

巷道開挖后,巷道左右兩幫淺部先發(fā)生拉破壞,然后發(fā)生剪破壞,隨著破壞的發(fā)展巷道深部基本都為剪切破壞。兩幫發(fā)生塑性變形的范圍為 3m左右。巷道兩幫的位移接近 300mm,巷道頂?shù)装逦灰平咏?00mm。

圖3 塑性區(qū)域分布

采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)后,巷道表面位移可以減少到原來的 40%～50%,即位移可以減小到 150mm左右。通過在模型中設(shè)置監(jiān)測線可知:巷道開挖后,巷道煤柱幫位移大于 150mm的范圍約 0.5m。則煤柱留設(shè)公式中 a的值約 2.5m。

通過數(shù)值模擬已經(jīng)確定了式 (2)中的 a和 c,而對(duì)于中間項(xiàng) b即煤柱核區(qū)的取值,文獻(xiàn) [1]認(rèn)為 b應(yīng)為不小于煤柱高度的 2倍。煤柱高度為 3m,即煤柱核區(qū)的寬度應(yīng)不小于 6m。將上述各值代入公式 (2)中可得:

4 工程應(yīng)用

華亭 250101綜放工作面為華硯煤礦首采區(qū)(2501采區(qū))的首采工作面,開采深度 700m左右。傾角 5～8°。煤層平均厚度為 37m。煤層分 3層開采,分層時(shí)以靠近底板 10m處的夾矸為界,夾矸下為一層,厚約 10m,夾矸上煤層平均分層,厚約 13.5m。該工作面采用走向長壁分層綜采低位放頂煤采煤方法,改進(jìn)后的煤柱留設(shè)公式應(yīng)用于第一分層區(qū)段煤柱的留設(shè),經(jīng)計(jì)算煤柱的留設(shè)尺寸為21.6m,現(xiàn)場實(shí)施后,基本滿足工程需要。

5 結(jié)論

結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)威爾遜煤柱設(shè)計(jì)公式進(jìn)行了改進(jìn),結(jié)合一般煤柱的留設(shè)模型,將煤柱尺寸分為 3部分,分別進(jìn)行了討論,得到了區(qū)段煤柱的留設(shè)公式:L=0.00624mH+8.5,并將改進(jìn)后的煤柱留設(shè)公式應(yīng)用于甘肅華硯煤礦,經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐后,能夠滿足工程需要。對(duì)現(xiàn)場煤柱留設(shè)起到了積極的指導(dǎo)作用。

[1]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制 [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]吳立新,王金莊 .煤柱屈服區(qū)寬度計(jì)算及其影響因素分析[J].煤炭學(xué)報(bào),1995,20(6):625-631.

[3]高 瑋,姜學(xué)云 .條帶開采中條帶煤柱塑性區(qū)寬度分析[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1997,15(2):142-147.

[4]A.H.威爾遜,孫家祿 .對(duì)確定煤柱尺寸的研究 [J].礦山測量,1973(1).

[5]王旭春,黃福昌,張懷新,等.A.H.威爾遜煤柱設(shè)計(jì)公式探討及改進(jìn) [J].煤炭學(xué)報(bào),2002,27(6):604-608.

[責(zé)任編輯:林 健]

Improvement and Application of A.H.W ilson’s Coal-pillar Design Formula

WEIDong1,2,L IWen-zhou2,3

(1.Huaneng Energy&Communication Holding Co.,Ltd,Beijing 100362,China; 2.CoalMining&DesigningBranch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;)

In order to reduce error of commonly used A.H.W ilson coal pillar design formula caused by assumed condition,the paper improved it by numerical simulation and compared roadway displacement under different anchored bolt supporting conditions.A coal pillar design for mula for normal condition was put forward.

A.H.W ilson for mula;coal-pillar design for mula;numerical s imulation;anchored bolt supporting

TD822.3

A

1006-6225(2010)06-0015-02

2010-07-21

魏 東 (1969-),男,甘肅會(huì)寧人,采礦高級(jí)工程師,在讀博士研究生,現(xiàn)任華能能源交通產(chǎn)業(yè)控股有限公司副總經(jīng)理。