时间:2024-07-28
赵铁林,王恩鹏,解兴智
(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京100013; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013)
块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索
赵铁林1,2,王恩鹏1,2,解兴智1,2
(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京100013; 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013)
[摘要]坚硬特厚煤层采用综放开采时,顶煤受到节理裂隙面的截割,将形成相互耦合的块体,当顶煤下方形成临空面时,部分顶煤块体将首先出现垮落。针对此情况,结合现场钻孔窥视运用块体理论研究方法,分析顶煤体受到的截割状况。从块体沿着单一节理面的垮落和双节理面的垮落类型出发,分析其运动关系和动力关系,得到块体滑动垮落与节理面内摩擦角,及其与滑动垮落方向的关系式,为坚硬特厚煤层顶煤垮落分析提供新的研究角度。
[关键词]块体理论;坚硬煤层;特厚煤层;综放开采
[引用格式]赵铁林,王恩鹏,解兴智.块体理论在坚硬特厚煤层综放开采中的应用探索[J].煤矿开采,2015,20 (2) : 13-15.
我国榆阳地区分布着煤质优良、埋藏浅、煤体硬度大、节理裂隙不发育、厚度变化大的3号煤层,主采3号煤层的矿井有千树塔煤矿、麻黄梁煤矿、柳巷煤矿、双山煤矿、杭来湾煤矿等,大部分煤矿平均埋深在200m以内,煤层单轴抗压强度均大于25MPa,煤层厚度在10m左右。为了实现高产高效安全开采,矿井采用了综合机械化放顶煤采煤法。但由于煤层坚硬,顶煤难以垮落、在不采取弱化措施时难以保障顶煤采出率。针对这个问题,运用块体理论的相关知识[1-4],对顶煤的冒放结构进行分析,为改善顶煤冒放性提供理论参考。
以千树塔煤矿为应用对象进行现场观测,千树塔煤矿主采3号煤层,首采11301综放工作面埋深171m左右,煤层厚度平均10.61m,赋存稳定,平均倾角0.6°,工作面设计长度150m,采煤机割煤高度4m,放煤高度6.61m,采放比1∶1.65。为了准确地得到坚硬特厚煤层顶煤节理面的分布情况,在工作面架间垂直顶煤和相交顶煤一定夹角向上打钻。在同一个架间连续打4次垂直钻孔,推进2刀之后打倾斜孔,钻孔最终分布如图1所示,钻孔编号为1,2,3,4,5,6,其中5号钻孔与水平面夹角为30°,6号钻孔与水平面夹角为45°。
通过钻孔,运用钻孔电视仪对节理裂隙进行成像分析,并对图像进行素描,得到大致的节理面走向和倾向,分析结果如表1所示(倾角α是节理面法向向量与z轴正向的夹角,倾向斜β是节理面法向向量在xoy平面内的投影与y轴的夹角)。
块体理论是用于分析岩土工程稳定性问题,在岩石边坡工程、地下洞室、隧道等领域得到了广泛应用,坚硬特厚煤层在采用综放开采时,由于其顶煤单轴抗压强度较大,在矿山压力和支架的支撑作用下,顶煤难以发生充分破碎,很容易形成相互铰接的块体结构。
图1 顶煤钻孔示意
表1 综放工作面顶煤节理面参数
对坚硬煤层综放工作面顶煤进行分析可知:当支架前移后顶煤体处于临空自由状态,沿着临空面建立三维空间直角坐标系和球坐标系,见图2。
图2 顶煤体三维直角坐标和球坐标系
综放工作面开切眼形成时,开切眼处顶煤体受到支护,没有实际意义上的临空自由面。当工作面推进一段距离后,支架后方顶煤暴露范围逐渐加大,在矿山压力、支架反复支撑及煤体自身重力作用下,顶煤体内产生不同产状节理裂隙面,这些节理裂隙面将顶煤体切割成相互铰接的不同块体。
实测得到如图3所示的节理面将支架上方及后方顶煤切割成几个块体,平行于工作面方向,有6个节理面,垂直于工作面方向有2个节理面,从临空面至顶煤深处,大致有如图3所示的几个块体,块体编号与块体垮落顺序没有直接关系。从分析靠近临空面的块体Ⅰ出发,研究顶煤块体稳定性规律。包围块体Ⅰ的节理面参数见表1。各个节理面z方向的法向量的坐标(xi,yi,zi),即:= (0,-0.98,0.17),= (-0.25,-0.43,0.87),= (0,-0.87,0.5),= (0.99,0,0.09)。
图3 顶煤体节理面投影
根据块体理论的相关定理,视节理裂隙面不具有抗拉强度,可动块体的运动形式有3种:直接掉落、沿单节理面滑动和沿双节理面滑动[6]。在顶煤的实际破裂垮落过程中,顶煤块体可能沿着多节理面滑动或者垮落,也有可能发生剪切破断,本文从简化的块体运动特征出发,分析顶煤块体简单的运动形式。
促使顶煤块体Ⅰ下落的主动力包括重力和矿山压力,但其主动合力方向不定,方向向量与z轴有夹角。顶煤块体Ⅰ可以沿着节理面1,2,7,8中的任一个运动垮落或者相邻两个节理面运动垮落。设顶煤块体受到的主动力合力方向坐标为(xi,yi,zi),当zi≥0时,块体不会发生下落,因此zi的值小于0。不考虑矿山压力的作用,则主动力方向为(0,0,-1),得到顶煤块体Ⅰ沿着单一节理面运动下落和沿着2个节理面运动下落的方向向量为:
顶煤由节理面切割成不同产状的块体,以顶煤块体Ⅰ为对象,对其进行受力分析[1,5-6]。顶煤块体Ⅰ受力如图4所示。
图4 顶煤块体受力分析
(1)若顶煤块体Ⅰ沿着单一节理面i接触垮落,则T = Nitanφi,由平衡方程推理得出:
(2)若顶煤块体Ⅰ沿着节理面当中的两个面滑落时,T = Nitanφi+ Njtanφj,Ni≥0,Nj≥0,由平衡方程推得:
顶煤块体受到重力和矿山压力的作用,简化矿山压力,视块体Ⅰ下落的主动力只有重力,则x = 0,y =0,z =-1,带入(1)式和(2)式得到: F1= 0.98-tanφ1; F2= 0.5-0.86tanφ2; F7= 0.86 + tanφ7; F8= 0.99; F12= 0.36-0.25tanφ1-0.85tanφ2; F17=-0.47tanφ1-0.53tanφ7; F18=-0.51tanφ1; F27= 0.18-0.68tanφ2-0.3tanφ7; F28= 0.5-1.16tanφ2-0.3tanφ8; F78= 0.65- 0.57tanφ7。得到虚平衡力与节理面摩擦角的关系,通过实验室试验得到千树塔煤矿3号煤层内摩擦角为34°,近似将各个节理面的内摩擦角视为等于煤体的内摩擦角,所以tanφi= tan34°= 0.67 (i =1,2,7,8),带入得到各个F值,如下所示: F1= 0.31; F2=-0.08; F7= 1.53; F8= 0.99; F12=-0.377; F17=-0.67; F18=-0.34; F27=-0.48; F28=-0.48; F78= 0.27。
综合上述分析,只有F1,F7,F8,F78大于零,块体Ⅰ将沿着节理面1,7,8或者同时沿着两个节理面7和8滑动垮落。
(1)由运动学分析得知,顶煤块体沿着节理面7垮落运动,或者沿着节理面2和7的交线、节理面7和8的交线垮落运动,但是都朝向y轴负方向,即朝着支架方向垮落,说明此节理面截割顶煤利于顶煤的冒落回收。
(2)由动力学分析得知,顶煤块体可能沿着节理面1,7和8发生垮落,或者同时沿着节理面7和8发生垮落。
(3)应用块体理论相关知识分析千树塔煤矿坚硬特厚煤层顶煤块体结构,得到顶煤块体可能发生垮落的方向,及初采期间顶煤块体垮落与其内摩擦角的关系。
[参考文献]
[1]石根华.岩体稳定分析的几何方法[J].中国科学,1981 (4) : 487-495.
[2]苏永华,何满潮,刘晓明.裂隙化硬岩洞室围岩稳定概率分析方法[J].水利学报,2004 (7) : 46-51.
[3]冯国瑞,王鲜霞,康立勋.采场上覆岩层面接触块体结构的力学机理分析[J].煤炭学报,2008,33 (1) : 33-37.
[4]吴豪伟,蔡美峰.块体理论赤平解析法的节理裂隙岩体破坏预测分析[J].中国矿业,2011 (3) : 57-60.
[5]刘锦华,吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M].北京:水利水电出版社,1988.
[6]于海湧.机械化放顶煤工作面顶煤破碎机理及放煤规律[D].北京:中国矿业大学,1989.
[7]何满潮,苏永华,景海河.块状岩体的稳定可靠性分析模型及其应用[J].岩石力学与工程学报,2002,21 (3) : 343-348.
[8]张奇华.多滑面块体的分块极限平衡分析法[J].岩石力学与工程学报,2007,26 (8) : 1625-1632.
[9]朱涛,张百胜,冯国瑞,等.极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制[J].煤炭学报,2010,35 (2) : 190-193.
[责任编辑:于海湧]
地质与勘测
Application of Block Theory in Full-mechanized Caving Mining in Hard and Extremely-thick Coal-seam
ZHAO Tie-lin1,2,WANG En-peng1,2,XIE Xing-zhi1,2
(1.Coal Mining&Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;
2.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China)
Abstract:In full-mechanized caving mining hard and extremely-thick coal-seam,top-coal was cut by joints and fissure and would form blocks which were interconnected.When free face occurred under top-coal,part top-coal blocks would firstly cave.Applying block theory and bore-hole imaging,cut status of top-coal was analyzed.The movement and dynamics relationship of blocks was analyzed from the form of block caving along single-joint and double-joint.Internal frictional angle of joint and the relational expression of the angle and slide direction was obtained,which provided new research view for top-coal caving in hard and extremely-thick coal-seam.
Keywords:block theory; hard coal-seam; extremely-thick coalseam; full-mechanized caving mining
[作者简介]赵铁林(1990-),男,江苏连云港人,硕士研究生,研究方向为矿山压力与岩层控制。
[基金项目]天地科技股份有限公司科技创新基金项目:新疆巨厚煤层高强度开采关键技术研究(KJ-2014-TDKC-04) ;天地科技股份有限公司开采设计事业部青年创新基金项目:浅埋煤层综放工作面坚硬顶煤弱化技术研究(KCSJ-QNCX-2014-07)
[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.02.004
[收稿日期]2014-10-18
[中图分类号]TD821
[文献标识码]A
[文章编号]1006-6225 (2015) 02-0013-03
我们致力于保护作者版权,注重分享,被刊用文章因无法核实真实出处,未能及时与作者取得联系,或有版权异议的,请联系管理员,我们会立即处理! 部分文章是来自各大过期杂志,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!