盘江矿区近距离煤层群保护层开采卸压范围研究
2019-07-10
为研究盘江矿区保护层开采的卸压范围,以贵州金佳矿作为研究对象,上煤组采用上 保护层开采作为区域防突措施,采用下行开采的顺序,即:3#→7#→9#,在金佳矿的历史上,开采3# 煤层之后,7#煤层在采掘活动中仍然面临“消突不充分、瓦斯大、打钻仍然存在动力现象、打钻打不 进”等比较尖锐的问题,因此,应用数值软件对金佳矿上煤组可采煤层1#、3#、7#、9#煤层建立FLAC 数值模型,并应用数值计算保护范围,研究出距离保护层越远的煤层偏移越明显,并研究出保护层 沿倾斜方向上保护范围的卸压角δ1 和δ2 分别为73°和89°,走向保护范围的卸压角δ5 为56°;沿倾 斜方向下保护范围的卸压角δ3 和δ4 ...
Serial No. 602 June. 2019 现 代 矿 业 MODERN MINING 总第 602期 2019 年 6 月第 6 期 盘江矿区近距离煤层群保护层开采卸压范围研究 1 李复忠 官瑞冲 2 ( 1. 贵州盘江精煤股份有限公司;2. 贵州大学快3彩票官网学院) 摘 要 为研究盘江矿区保护层开采的卸压范围,以贵州金佳矿作为研究对象,上煤组采用上 # # # # 保护层开采作为区域防突措施,采用下行开采的顺序,即:3 →7 →9 ,在金佳矿的历史上,开采 3 # 煤层之后,7 煤层在采掘活动中仍然面临“消突不充分、瓦斯大、打钻仍然存在动力现象、打钻打不 # # # # 进”等比较尖锐的问题,因此,应用数值软件对金佳矿上煤组可采煤层 1 、3 、7 、9 煤层建立 FLAC 数值模型,并应用数值计算保护范围,研究出距离保护层越远的煤层偏移越明显,并研究出保护层 沿倾斜方向上保护范围的卸压角 δ1 和 δ2 分别为 73°和 89°,走向保护范围的卸压角 δ5 为 56°;沿倾 斜方向下保护范围的卸压角 δ3 和 δ4 分别为 77°和 76°,走向保护范围的卸压角 δ6 为 56°。 关键词 上保护层 卸压范围 近距离煤层群 采矿工程 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 06. 028 Research on Pressure Relief Range of Protective Layer Mining in Close Coal Seam Groups in Panjiang 1 Li Fuzhong Guan Ruichong 2 ( 1. Guizhou Panjiang Clean Coal Co. ,Ltd. ;2. School of Mining,Guizhou University) Abstract In order to study the pressure relief range of protection layer mining in panjiang mining area,Jinjia Mine in Guizhou province was taken as the research object. Upper protection layer mining was adopted as regional outburst prevention measures in upper coal group and descending mining order was a- # # # # # dopted,namely:3 to 7 ,9 ,in the history of Jinjia Mine,mining after 3 coal seam of 7 coal seam in min- ing activities are still facing extinction tu insufficient still exists,large gas,drilling power phenomenon, drill into " more pointed questions such as,as a result,the numerical simulation software minable seam # # # # jinjia mine coal group 1 ,3 ,7 ,9 coal seam in FLAC numerical model is established,and applying the numerical calculation of the protection range,the more the distance protection layer is,the farther coal seam deviation is more obvious,and the pressure relief angles δ1 and δ2 of the protection layer in the ob- lique direction are 73° and 89°,respectively,and the pressure relief angle δ5 of the protection range is 56°;the protection range along the oblique direction The pressure relief angles δ3 and δ4 are 77° and 76°, respectively,and the relief angle δ6 of the strike protection range is 56°. Keywords Upper protective layers,Released range,Closed distance seam group,Mining engineer- ing [ 2] 煤矿行业的瓦斯事故后果严重,对人员伤害大, 伤亡等,被称为煤矿安全生产的“第一杀手” 。 贵 州省煤炭资源丰富,享有“江南煤海”之誉。 全省埋 深 2 000 m 以内煤炭资源总量为 241. 9 Gt,其中硫 份小于 1. 5% 的为 72 Gt。 煤种齐全,煤质优良,具 经济财产损失数额大,随着煤矿开采深度加深导致 开采条件的复杂性,致使煤矿瓦斯事故的强度和深 [ 1] 度加剧 。 在煤矿五大灾害事故当中,瓦斯事故由 [ 3] 于其有强大的破坏性、严重的经济损失、较多的人员 有广阔的深加工和转换利用前景 。 贵州省煤矿 安全监察局的最新统计数据表明,截止到 2016 年 5 月,全省在籍矿井 1 242 处,其中突出矿井和高瓦斯 矿井共 863 处,占矿井总数的 69. 5% ;2007—2015 李复忠(1982—),男,工程师,553536 贵州省盘州市。 1 06 李复忠 官瑞冲:盘江矿区近距离煤层群保护层开采卸压范围研究 2019 年 6 月第 6 期 年以来贵州省共发生瓦斯事故 82 起,占事故总数的 7. 75% ,死亡 593 人,占死亡总数的 65. 13% ,平均 每起事故死亡 7. 2 人,瓦斯事故已经成为贵州煤矿 来计算。 推进模型以 10 m 为单位进行,进入平衡状 态开始后续进程,直到工作进程结束。 数值模型如 图 1 所示,相关参数见表 1。 5 [ 4] 安全生产中必须重点解决的关键问题之一 。 安 [ 5] 明燕等 对我国煤矿瓦斯事故进行了统计分析,提 出贵州是瓦斯事故发生频率较高的地区之一,分析 其原因为贵州煤层赋存条件复杂,瓦斯含量高,且乡 [ 6] 镇煤矿所占比重比较大。 张鹏翔等 针对贵州煤 矿的瓦斯赋存规律进行了研究,发现瓦斯含量与埋 深呈对数函数规律,并指出贵州多数为薄及中厚煤 层的近距离煤层群,煤矿多位于复杂地质地形条件 的山区,煤层赋存条件较复杂,高突矿井数量所占比 例较大,瓦斯灾害严重。 图 1 数值计算模型 2 . 2 煤层底板破坏及位移量 137 工作面开采后由于受力不平衡会导致其 1 上部岩体在垂直方向坠落,经过模型软件可测算坠 落情况及其具体数值,并且可直观了解媒体的损坏 状况(图 2)。 图 3 为 1137 工程段挖掘后对周边煤 层的受力平衡影响后其产生底板破坏量的状况和煤 层内塑性块的状况,1137 进行施工的层面采用粗黑 线的方框替代,左边的黑线替代的是工程面的运输 巷道,右边的黑线替代工程面回风巷道,顶面的黑线 本研究以金佳矿近距离煤层群上保护层 1137 3 D 工作面工程背景,采用 FLAC 数值模拟以及理论 分析研究上保护煤层下覆岩层应力分布、变形破坏 状况及其动态演化规律,以此推断保护层开采后下 部煤层的保护范围,对于保障工作面安全生产具有 重要的理论意义和实践价值。 1 工程地质概况 # 替代工程面停采区域,如图 2(a) 以及图 3(a) 为 1 金佳矿位于贵州省六盘水市西南部的盘县红果 煤层下板竖直方向位移分布以及塑性区分布状况可 镇境内,距六盘水市 210 km,距贵阳 373 km,距昆明 # 知,1 煤层往下沉降最明显处有 1. 2 m;如图 3(a)以 2 75 km,交通便利。 矿区位于盘关向斜东翼中南段, # 2 及图 3(b)为 7 煤层竖直方向位移分布以及塑性区 其走向长 15 km,倾向长约 2. 0 km,面积约 30 km 。 # # # # 分布状况可知,7 煤层下部沉降最明显处有 0. 97 矿井为平硐、斜井联合开拓,主采煤层为 3 、7 、9 煤 # m;如图 3(a)以及图 3(c)为 9 煤层竖直方向位移分 层。 # # 布以及塑性区分布状况可知,9 煤层下部沉降最明 3 煤层位于龙潭组上部,其位于 11 采区第三区 显处有 0. 82 m。 对比图中以图(a) ~ (c)的煤体在 竖直方向分析比较可得:①对应 1137 工作面施工范 围,各个媒体下板移动是半椭圆形状态,在中点处的 上下变化时最显著的,中点向边缘依次降低,椭圆的 长轴是向回风巷那边移动,当煤层与保护层距离越 大的煤层变化越显著;②距离保护层越近的煤层底 板变形量越大。 以图 3(a) ~ (c)图的对比分析煤层 塑性区分布状态可得:①该工作面施工范围与可采 媒体的破坏区域相比是相对较小的;②可采煤层破 坏区域向回风巷方向偏移,偏移的程度随距离保护 层的程度增加而增加。 段中,包含了金佳矿 11 采区上煤组的首采工作面 # # # # 137 施工面,3 煤体往下依次为 7 、9 煤体,3 煤体 # # 1 往下 25 m 为 7 煤体,往下 42 m 为 9 煤层。 煤层上 部的岩石成分是粉砂岩、粉砂类泥岩;下部成份是泥 岩、 粉 砂 岩、 细 砂 岩。 1137 工 程 段 运 输 巷 标 高 是 1 704 ~ 1 691 m,回风巷标高是 1 771 ~ +1 751 m,在施工过程具体探知煤体厚度为 1. 26 m,工程段 延向长度是 845 m,探明煤层倾角为 20°。 2 保护层开采方案选择及卸压范围 2 . 1 数值计算模型 利用摩尔库仑模型,模型整体规格为 400 m× 82 m×245. 25 m,模型分割成 40×60×98 单个小网 2 . 3 上覆煤层的应力特征及保护效果 2 由于保护层进行挖掘工作后使得地底原有受力 格,模型单位数量为 235 200。 模型四周及下部应用 滚动边界原理,其顶部承受垂直应力。 岩体起始受 力来源为其顶部岩层的质量,其上覆岩层垂直厚度 为 100 m,垂直受力按 2. 5 MPa 计算,模型左右受力 以静水压力计算,前后受力则按上边界受力的 1 / 2 平衡发生改变,如图 4 以及图 5 所示,采空区顶底板 岩层显现一定程度的卸压,且中部卸压程度较大,开 采后对较远距离的被保护层有一定范围影响但是波 及不大。 1 07 总第 602 期 现代快3彩票官网 2019 年 6 月第 6 期 表 1 金佳 1137 采煤工作面围岩物理力学参数 厚度 容重 弹性模量 E / MPa 黏聚力 c / MPa 内摩擦角 / (°) 抗拉强度 t / MPa 膨胀角 / (°) 岩石类型 泊松比 λ 3 / m / (kg/ m ) 粉砂岩 5. 1 1. 1 2. 1 7. 9 1. 4 1. 1 2. 1 8. 9 1. 1 2. 4 1. 1 1. 1 1. 1 9 2 400 1 500 2 400 2 400 1 500 2 400 2 400 2 600 2 400 1 300 2 600 2 400 2 600 2 500 2 600 1 300 2 400 2 500 18 755 3 070 4 671 18 755 3 012 4 671 5 245 18 755 5 245 3 012 5 245 18 775 20 121 18 775 4 665 3 012 4 671 18 755 0. 24 0. 24 0. 17 0. 24 0. 24 0. 19 0. 26 0. 26 0. 25 0. 24 0. 26 0. 26 0. 23 0. 26 0. 17 0. 24 0. 19 0. 24 1. 9 0. 6 39. 1 31 1. 22 0. 23 0. 31 1. 21 0. 22 0. 31 0. 61 1. 22 0. 61 0. 21 0. 7 7 11 19 7 # 1 煤 泥岩 0. 76 1. 7 32 粉砂岩 39. 2 30 # 3 煤 0. 6 9 泥岩 0. 74 1. 04 1. 87 1. 04 0. 51 1. 04 1. 51 2. 52 1. 51 0. 74 0. 65 0. 73 1. 52 31. 1 33. 1 39. 4 33. 3 30. 1 33. 3 39. 4 41. 5 39. 2 31. 1 30. 2 31. 1 39. 2 10 9 砂质泥岩 粉砂岩 7 砂质泥岩 11 9 # 7 煤 粉砂质泥岩 泥质粉砂岩 细砂岩 10 7 1. 1 1. 4 6 泥质粉砂岩 1. 1 5 泥岩 1. 1 2. 2 1. 1 2. 9 0. 32 0. 27 0. 32 1. 1 10 10 10 5 # 9 煤 泥岩 泥质粉砂岩 图 3 塑性区分布 那么测试所得到的结论同样对于别的保护层和被保 护层有效;如果不是,则需具体对每个煤层的保护成 果进行具体检验测试。 图 2 垂直位移分布 经过学术界的各种实地项目勘探研究表明,当 被保护层的法向膨胀变形不低于 6‰时,具有突出 危险的煤层可处于相对安全的概率较大。 利用软件 3 保护层保护范围预计及效果评估 根据《防治煤与瓦斯突出规定》,对具有突出危 险的矿的任意一个保护层进行挖掘工作时,可根据 实际情况测试其对各个保护层的实际效果以及覆盖 影响的范围。当被影响的煤层的增大量不低于3‰, 对矿井的破坏变化值用法向变形值来表示。 2 ε0 = ε/ (cosγcosβsinα + sinγcosα) , (1) 1 08 李复忠 官瑞冲:盘江矿区近距离煤层群保护层开采卸压范围研究 2019 年 6 月第 6 期 图 5 煤层最大垂直应力分布 图 4 煤层最大主应力 式中,ε0 为垂直煤层层面方向的相对变形;ε 为任意 方向的煤层相对变形;γ 为任意方向与水平面的夹 角;α 为煤层倾角; β 为任意方向与煤层走向垂线的 夹角。 因此,垂直煤层走向(z 方向) 的煤层变形值可 以按照下式换算成煤层法向变形值,即: 2 ε0 = εz / cos α , (2) 式中,εz 为 z 方向的煤层相对变形。 结合上述数值模拟结果,根据式(2)进行计算, # 得出 3 煤层开采后在垂直方向在其顶部所有被保 护煤层的法向膨胀变形量。 并且以上部煤层法向膨 胀变形不低于 6‰的限度形成相对受安全状态,得 到的预计保护范围见表 2 和图 4 以及图 6 所示。 表 2 预计被保护煤层的保护范围 图 6 1137 工作面数值模拟倾向保护范围 角 δ1 和 δ2 分别为 73°和 89°,走向保护范围的卸压 角 δ5 为 56°;沿倾斜方向下保护范围的卸压角 δ3 和 δ4 分别为 77°和 76°,走向保护范围的卸压角 δ6 为 56°。 走向方向 / m 到停采线距离) 倾向方向 / m (到运输巷的距离) 煤层 ( # 1 10. 78 19. 03 25. 97 1. 14 ~ 133. 31 2. 55 ~ 131. 02 1. 25 ~ 125. 13 # 7 4 结 论 # 9 ( 1)该工作面施工范围与可采媒层的破坏区域 从以表 2、图 6 分析可得出,1137 工作面开采后 相比是相对较小的;可采煤层破坏区域向回风巷方 向偏移,偏移的程度随距离保护层的程度增加而增 其相应的卸压角为:沿倾斜方向上保护范围的卸压 1 09 总第 602 期 现代快3彩票官网 2019 年 6 月第 6 期 事故发生规律分析[ J]. 快3彩票官网安全与环保,2018,45 (3):124- 128. 加。 (2) 采用 FLAC 数值模拟方法并结合现场考 3 D [ [ [ [ 2] 梁国栋,郭 建. 我国煤矿瓦斯事故原因统计分析[J]. 能源与 环保,2018(11):75-78. 察的方法确定出了贵州金佳矿保护层开采的合理卸 压保护角,1137 工作面回采后,沿倾斜方向上保护 范围的卸压角 δ1 和 δ2 分别为 73°和 89°,走向保护 范围的卸压角 δ5 为 56°;沿倾斜方向下保护范围的 卸压角 δ3 和 δ4 分别为 77°和 76°,走向保护范围的 卸压角 δ6 为 56°。 3] 龙祖根,宗 羽. 贵州煤矿瓦斯事故及其防治技术研究[J]. 煤 矿开采,2004(3):11-13,18. 4] 钟德洋,刘 勇,康向涛,等. 2007—2015 年贵州煤矿瓦斯事故 分析与防治建议[J]. 煤炭工程,2016,48(11):69-72. 5] 安明燕,杜泽生,张连军. 2007—2010 年我国煤矿瓦斯事故统 计分析[J]. 煤矿安全,2011,42(5):177-179. ( 3) 保护层的开采有效地提高了煤层的透气 [6] 张鹏翔,龙祖根. 贵州省煤矿瓦斯赋存规律研究[J]. 中国安全 生产科学技术,2013,9(1):34-38. 性,提高了瓦斯抽采效率,显著降低了瓦斯含量和瓦 斯压力,有效消除了高突出危险煤层的突出危险性。 ( 收稿日期 2019-04-02 责任编辑 徐志宏) 参 考 文 献 [ 1] 刘业娇,袁 亮,薛俊华,等. 2007—2016 年全国煤矿瓦斯灾害 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 国快3彩票官网,2005,14(12):34-37. ( 上接第 92 页)采矿损失率、贫化率技术指标时,应 [ [ [ [ [ [ 7] 陈运伟,陈广斌. 矿石贫化率和废石混入率的概念和计算探讨 J]. 甘肃冶金,2008,30(5):24-27. 8] 刘宗贵. 矿石损失与贫化的经济计算[J]. 攀枝花科技与信息, 998,23(4):36-39. 选择合适的分析方法,计算过程中应排除设计范围 外的影响因素,特别是考虑顶板垮落或矿化围岩的 混入因素,方可真实反映矿山采矿技术水平。 [ 1 ( 3)应用三维快3彩票官网软件,可以根据矿体形态确 9] 温荣凯. 砂金矿开采设计中废石混入率的确定[J]. 有色金属 设计,1994,2:11-14. 定回采顶层分界线和底部堑沟位置,更直观地优化 损失贫化指标,285 中段 B48-68 线优化后,设计总 损失率为 36% ,贫化率为 27% 。 随着开采向深部延 伸,地质品位逐步降低,矿体厚度变化大,夹层增多, 特别是大红山本部 285 中段以下、西部矿段 180 中 段及以下回采区域,均可采用可视化软件分析优化, 降低损失率、贫化率及废石混入率指标。 10] 廖永雄. 矿石损失贫化的原因及其控制对策[C]∥中国快3彩票官网 科技大会论文集. 马鞍山:金属矿山杂志社,2010:174-176. 11] 闫云忠. 露天开采矿石损失贫化的探讨[ J]. 采矿技术,2001 ( 1):22-24. 12] 吴进国,薄建芬. 尖山铁矿降低贫化损失的措施[C]∥鲁冀晋 琼粤川六省金属学会第十四届矿山学术交流会论文集. 济南: 山东省金属学会,2007:254-256. [ [ [ [ [ [ 13] 陈世江,张飞,吴国良. 乌特拉前旗湾兔沟铁矿控制废石混入 率的研究[J]. 金属矿山,2008(7):152-153. 参 考 文 献 14] 孙祺年. 降低采矿损失率和贫化率的研究与实践[J]. 采矿技 术,2009,9(3):7-9,18. [ [ [ [ [ [ 1] 王运敏. 现代采矿手册[ M]. 北京:冶金工业出版社出版, 011. 2 15] 梁德义. 矿山经营理念对矿石贫化损失的影响[ J]. 采矿技 术,2007,7(3):170-173. 2] 陈尚文. 矿床开采中矿石的损失与贫化[ M]. 1 版. 北京:冶金 工业出版社,1988. 16] 张士全. 露天矿台阶高度与矿山损失、贫化关系的研究[ J]. 快3彩票官网快报,2001(6):14-21. 3] 陈甲斌. 降低井下采矿损失与贫化的措施[J]. 化工矿物与加 工,2004(3):29-32. 17] 魏一鸣,童光煦. 应用神经网络分析矿山损失贫化[J]. 湖南 有色金属,1995,11(3):10-13. 4] 沙 泉. 降低损失、贫化、提供经济效益[ J]. 有色矿冶,1992 ( 6):10-15. 18] 王友云. 论对倾斜薄和极薄矿体采矿方法与贫化损失的关系 5] 毛荐新,张传舟,曹祖武,等. 开采技术因素对露采矿石损失与 贫化的影响[J]. 金属矿山,2002(10):10-13. [ J]. 采矿方法,1989(2):21-27. ( 收稿日期 2019-02-20 责任编辑 何 伟) 6] 连全海. 矿产资源损失贫化与可持续发展关系的浅析[J]. 中 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 1 10
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