A.H.威爾遜煤柱留設公式的改進及應用

魏 東,李文洲

(1.華能能源交通產業控股有限公司,北京 100362;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013; 3.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京 100013)

A.H.威爾遜煤柱留設公式的改進及應用

魏 東1,2,李文洲2,3

(1.華能能源交通產業控股有限公司,北京 100362;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京 100013; 3.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京 100013)

常用的煤柱留設公式——A.H.威爾遜公式,因其假設條件致使實際工程應用中誤差較大,為此,通過數值模擬軟件對其進行了改進,并對比了不同錨桿支護條件下巷道圍巖位移量,提出了一般條件下煤柱的留設公式。

A.H.威爾遜公式;煤柱公式;數值模擬;錨桿支護

通過諸多煤柱留設公式的比較,A.H.威爾遜公式因涉及參數較少且基本能符合工程需要,因而獲得了廣泛的應用。但因其假設條件致使實際工程應用中誤差較大,如何對該公式進行改進,使之符合實際需要,是急待解決的現實問題。

1 威爾遜核區理論及區段煤柱公式

威爾遜以實驗室中的三軸強度值和假設有一個未遭破壞的核柱區和遭破壞的塑性區為基礎。該理論認為:煤柱周圍為一個破壞帶或讓壓帶。

煤柱的屈服帶寬度 Y可按下式計算:

式中,m為煤柱高度 (采高),m;H為采深,m。

圖1 區段煤柱留設示意

如圖 1所示,區段煤柱一側為回采空間,一側為采準巷道。采準巷道和回采空間煤柱兩側形成各自的塑性區,塑性區的寬度分別為 a,c。因此,區段煤柱保持穩定的基本條件為:煤柱兩側產生塑性變形以后,核區的寬度應不小于煤柱高度的 2倍。則煤柱的設計尺寸應為:

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

式中 c通過改進后的A.H.威爾遜公式進行計算,a通過對甘肅華亭礦具體條件下巷道開挖進行模擬,得出在給定斷面條件下,巷道塑性破壞的一般范圍。核區一般為煤柱高度的 2倍。下面將通過數值模擬對公式中的參數進行改進。

2 威爾遜公式的改進

模擬方案分為采深 500m,700m,900m和采高 3m,6m,9m,共 9種情況。對 9種方案下煤柱產生的塑性區大小和支護效果進行模擬。通過對模擬結果的對比分析,對威爾遜煤柱塑性區寬度計算公式進行改進。

模型設置時,煤層部分采用應變軟化模型,其余部分采用摩爾模型。為保證模擬結果的準確度,模擬范圍定為長 ×寬 ×高 =400m×40m×137m的區域,共 142100個區域和 156911個節點。不同方案的塑性區尺寸如表 1所示。

表 1 不同方案的塑性區尺寸和比例系數

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

圖2 比例系數與采厚關系曲線

對于煤柱留設公式中參數 c的研究,λ取比例系數的平均值,即λ=0.00624,則可得深部厚煤層的塑性區寬度計算公式為:

3 巷道開挖后塑性區分析

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

巷道開挖后,巷道左右兩幫淺部先發生拉破壞,然后發生剪破壞,隨著破壞的發展巷道深部基本都為剪切破壞。兩幫發生塑性變形的范圍為 3m左右。巷道兩幫的位移接近 300mm,巷道頂底板位移接近400mm。

圖3 塑性區域分布

采用高預應力錨桿支護系統后,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。通過在模型中設置監測線可知:巷道開挖后,巷道煤柱幫位移大于 150mm的范圍約 0.5m。則煤柱留設公式中 a的值約 2.5m。

通過數值模擬已經確定了式 (2)中的 a和 c,而對于中間項 b即煤柱核區的取值,文獻 [1]認為 b應為不小于煤柱高度的 2倍。煤柱高度為 3m,即煤柱核區的寬度應不小于 6m。將上述各值代入公式 (2)中可得:

4 工程應用

華亭 250101綜放工作面為華硯煤礦首采區(2501采區)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,改進后的煤柱留設公式應用于第一分層區段煤柱的留設,經計算煤柱的留設尺寸為21.6m,現場實施后,基本滿足工程需要。

5 結論

結合數值模擬對威爾遜煤柱設計公式進行了改進,結合一般煤柱的留設模型,將煤柱尺寸分為 3部分,分別進行了討論,得到了區段煤柱的留設公式:L=0.00624mH+8.5,并將改進后的煤柱留設公式應用于甘肅華硯煤礦,經現場生產實踐后,能夠滿足工程需要。對現場煤柱留設起到了積極的指導作用。

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

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

[3]高 瑋,姜學云 .條帶開采中條帶煤柱塑性區寬度分析[J].山西礦業學院學報,1997,15(2):142-147.

[4]A.H.威爾遜,孫家祿 .對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.威爾遜煤柱設計公式探討及改進 [J].煤炭學報,2002,27(6):604-608.

[責任編輯: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,甘肅會寧人,采礦高級工程師,在讀博士研究生,現任華能能源交通產業控股有限公司副總經理。