浅层煤矿开采中上覆岩复合压力拱分析研究.pdf

总第2 11期2023年第8 期试（实）验研究浅层煤矿开采中上覆岩复合压力拱分析研究郑（晋能控股煤业集团朔州煤电有限公司，山西怀仁0 38 30 0）摘要：针对薄基岩浅埋煤层开采过程中典型的压力拱结构，采用数值模拟和物理实验相结合的方法，分析了不同开采阶段近场和远场压力拱的相互作用，建立了矿区压拱的典型力学模型。得到了各开采阶段的主应力分布。采用数值模拟和实验相结合的方法，分析了浅埋煤水平开采上覆岩层薄基岩的应力发育情况。近场和远场复合压拱的演化特征对上覆岩层的稳定性和开采安全具有重要意义。关键词：浅层开采；上覆地层；压力拱；不稳定中图分类号：TD3270引言浅埋煤水平开采往往会造成严重的岩层变形，如顶板切下、地表沉陷较大，严重威胁矿区的开采安全和生态环境。因此，控制西部浅埋煤层采煤过程中覆岩的稳定性是一个呕待解决的问题。地下工程开挖后，可在围岩中形成自支撑的压力拱结构，矿区近场顶板破碎块体会形成压力拱结构。而在浅埋煤开采过程中，随着基岩厚度的增加，顶板的台阶下沉现象有所减少或消失。在采场内可形成远场压力拱，在顶板周期性来压作用下，压力拱对采场底板具有保护作用。但目前尚不清楚各压力拱在采煤过程中的主要压力拱类型和失稳判据1-3。1研究方法在本研究中，以某矿区为工程背景，分析浅埋煤开采厚松散层下薄基岩顶板来压问题。为研究崩落顶板中复合压力拱，根据工程模型,得到了图1所示的山西冶金ShanxiMetallurgy文献标识码：A2仿真模型根据该矿的地质条件，采用离散元软件UDEC对浅埋水平开采下薄基岩的移动进行了分析。如图2-1所示，建立单基础屋面模型1,模型大小为长6 0 0 m，高6 8 m。煤层厚度为5m，采用全厚开采工艺。底板厚度为10 m，直接顶板厚度为5m，基本顶板厚度为20m,基岩以上松散层厚度为9 0 m。该模型在模型顶部施加0.9 3MPa的荷载，以代替6 2 m的岩土层质量。考虑水平应力的影响，初始侧压力系数设为1.5。采动起点距左界50 m，每阶段采动推进距离10 m。模型的底部边界固定，模型的横向边界在水平方向上固定。如图2-2 所示，建立模型2，分析覆岩厚度对压力拱的影响，压力拱尺寸为长450 m、高7 0 m。直接顶板厚度为5m，直接顶板上覆岩厚度为50 m。在模型顶部施加1.35MPa的荷载，代替9 0 m的松散层。Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.025文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 6 1-0 2600简化力学模型。随着工作面推进,顶板悬移至极限跨，煤壁端部和跨中处裂缝发育。分离层的破碎块旋转、下沉、挤压和咬合在一起。主应力在垮落带内发生偏移，最大主应力呈对称拱状集中分布，接触面之间的摩擦和水平推力决定了破碎块体的稳定性4-7 。C品品品品品品品品2-1单一基础顶板模型450mB2-2多层覆盖层模型S1一土壤；B1砂岩;I1泥岩，C1煤；F1沙砂岩；B2、B4、B5砂质泥岩;B3粗砂岩SUORRAS1-1工程模型PAP:TQ:TBK.T=1-2力学模型图1复合压力拱收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 8作者简介：郑（19 8 9 一），男，本科，毕业于山西大同大学，中级工程师,从事采矿工程方面的工作。图2 计算模型数值试验是在考虑垂直和水平虚拟节理条件的情况下，模拟破碎块体的力学行为。各模型的物理力学参数见表1。土/岩石采用弹塑性模型,结构面采用TLKAAQA连续屈服本构。通过节理结构和完整岩体的变形,可以近似计算节理的法向刚度和剪切刚度。法向刚度和剪切刚度设为4GPa/m,摩擦角设为30。山西冶金62E-mail:第46 卷表1煤和地层的物质性质容重人弹性模名称泊松比内聚强(kN/m)量/GPa土壤19.20砂质泥岩24.00粗砂岩24.30砂岩25.00泥岩22.40煤炭13.10沙泥岩24.60根据同类材料的组成，在不同地层中以砂石为骨料，石膏为主要胶凝材料，石灰为辅助胶凝材料，硼砂为缓凝剂，云母粉为弱面。模型试验选用粒径小于0.05mm的细粒河砂作为骨料,以石膏为主要胶凝材料,以碳酸钙为辅助胶凝材料。为保证相似模拟试验中材料比的可靠性，分别按比例取少量河沙、碳酸钙、石膏制作圆柱形试样。3结果与讨论随着工作面推进，覆岩主应力分布如图3所示。随着覆岩厚度的增加,在围岩中形成近场和远场的复合压力拱。工作面推进10 0 m处最大主应力分布如图3-1所示。基顶滑下与废石接触后,形成阶梯式压力拱。基顶以上各层形成独立的对称压力拱，在远场形成叠加的对称压力拱。各对称压力拱的拱顶和双拱脚存在3个主应力集中区。随着开采的进行，覆岩多层对称压拱失稳，如图3-2 所示。破碎块体旋转与废石接触,围岩中的主应力重新分布,形成旋转一挤压一拱。后者拱脚转移到崩落带压实的废石上。采空区悬移覆岩形成压拱拱顶带，前拱脚位于煤壁围岩中。这种远场压力拱具有自承载能力，保护了基本顶的阶梯压力拱。工作面推进32 m后,直接顶板发生崩落，破碎块体形成铰接结构。随着开采过程的进行，上覆岩层逐渐失稳,在矿区垮落拱上方形成对称的压力拱。由于薄基岩开采过程中覆岩完全破碎，远场围岩难以形成宏观压力拱。单基础顶板滑坡可引起阶梯式沉降。因此，台阶压拱失稳会造成采场大面积截顶，工作面加重,地表沉陷严重。随着基岩厚度的增加,覆岩的构造特征逐渐发生变化。在远场围岩宏观压力拱的下方形成垮落带压力拱。随着覆盖层荷载向远场围岩传递，形成宏观压力拱。矿区覆岩的自承载能力取决于复合压力拱状结构。阶梯式压力拱作为浅埋煤层厚松散层下薄基岩的承载结构，易发生滑动，稳定性较低，工作面来压间隔(m）)抗拉强摩擦角/度/MPa度/MPa0.080.3229.000.2335.000.2132.000.2423.000.1515.000.2926.000.22600.100.043.702.105.504.007.304.902.501.700.790.573.902.50263233353027384020(m）604020110短,来压载荷大。随着基岩厚度的增加,覆岩中的复合压拱承载力增大,裂隙岩体中的旋转压拱能够承受上部松散层的荷载，保护工作面安全。4结论为研究复合压拱特性，以某煤矿为工程实例,建立了不同开采条件下不同压拱的力学模型。通过数值模拟，分析和验证了近场和远场压力拱的演化特征。研究发现对于单基顶板薄基岩,在采煤过程中可形成阶梯压拱。两拱脚的主应力随拱高的增加而逐渐减小。随着基岩厚度的增加,压力拱的结构特征会发生变化。在多层覆岩的远场可形成复合压力拱。浅埋煤层破碎块体的压拱稳定性对安全开采和环境保护至关重要。参考文献1王瑞文，磁窑沟煤矿1110 3工作面过构造压力分析及顶板控制J.煤炭与化工，2 0 2 2,45(2)：31-33.2 景泽波.煤矿巷道矿山压力显现规律模拟探讨J.能源与节能，2021(11):40-41.3张树勇.长城煤矿深井工作面超前支承压力分布规律实测研究J.煤,2 0 2 1,30(9):32-34.4徐晓鼎.曹家滩矿井特厚煤层沿空巷道强矿压显现机制及卸压控制研究D.长春：吉林大学，2 0 2 3.5陈上元，赵波，袁越，等.城郊矿深部工作面切顶留巷工程试验研究J.采矿与安全工程学报2 0 2 1,38（1)：12 1-12 9.6何满潮，陈上元，郭志飚，等.切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用J.中国矿业大学学报，2 0 17,46（5)：9 59-9 6 9.7石建军，马念杰，白忠胜.沿空留巷顶板断裂位置分析及支护技术J.煤炭科学技术,2 0 13,41(7):35-37.（编辑：苗运平）(下转第8 2 页）Pa-2000E+07-1.800E+07-1200E+07-8000E+06-4000E+060000E+0050703-1对称压力拱和阶梯压力拱Pa-4000E+07-3.500E+07-3000E+07-2.500E+07-2000E+07+-1500E+07-1.000E+07-5000E+060000E+00130150170190210230250（m)3-2旋转挤压压力拱和阶梯压力拱图3近场和远场的复合压力拱90110130150（m)山西冶金82E-mail:第46 卷的最佳实验条件，在最佳焙烧反应条件下，钛渣中二氧化钛的提取率可达到8 0%。张晗17 等人采用硫酸铵焙烧法进行钛渣中提钛处理，处理后的滤渣主要成分为氧化钙与二氧化硅,利用氢氧化钠溶剂水解滤渣进行提硅，获得了硅酸钠水溶液,后使用氧化钙和硅酸钠水溶液可制取硅酸钙，此方面的研究对实现钛渣高附加值综合利用具有重要的现实意义。4结语对高钛高炉渣资源进行合理利用不仅是一项科技问题,更是一项社会问题，在我国政府的主导下，必须形成该产业的综合管理体制，有效提升高炉矿渣的综合使用率。由于科学技术的发展和社会的进步,尤其是人们环保意识的日益加强，通过合理、高效使用高钛高炉渣及其二次资源，有效减少高钛高炉渣对周围环境的污染物，实现高炉渣的减量化、无害性、次资源性质处理，从而进一步提高高炉矿渣基生产的增加值。对高钛高炉渣合理的资源利用是中国钢铁生产可持续发展的有力保证，对建设环境友好型、资源节约型的社会主义经济有着重要促进作用。参考文献1高洋,贵永亮,宋春燕，等.高钛高炉渣综合利用现状及展望J矿产综合利用，2 0 19(1）：6-10.2 全跃，任允芙.承钢含钛高炉渣综合利用的工艺矿物学研究J钢铁钒钛，19 8 9(4)：18-2 3.3张明博.低钛高炉渣资源化利用研究D.北京：北京科技大学，Comprehensive Utilization of Titanium Containing Blast Furnace Slag(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Cangzhou Hebei061000,China 2.North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063000,China)Abstract:The comprehensive utilization of titanium containing blast furnace slag has been studied by domestic and foreign experts andscholars for a long time.Currently,there are two solutions to the problem of titanium containing blast furnace slag:one is to make titaniumcontaining blast furnace slag into a certain material for use,and the other is to carry out titanium extraction treatment,In order to betterachieve the comprehensive utilization of titanium containing blast furnace slag,combined with the characteristics of titanium containing blastfurnace slag,the literature research method is mainly used to sort out the research papers related to it in recent years,and to elaborate on thetechnical progress of direct utilization and titanium extraction and treatment of titanium containing blast furnace slag,providing reference forthe next step of technological development.Key words:blast furnace slagi containing titanium;handling;utilize（上接第6 2 页）Analysis and Research on Composite Pressure Arch of Overlying Rock in Shallow Coal(Jinneng Holding Coal Industry Group Shuozhou Coal Electricity Co.,Ltd.,Huairen Shanxi 038300,China)Abstract:In response to the typical pressure arch structure during the mining process of shallow coal seams with thin bedrock,acombination of numerical simulation and physical experiments was used to analyze the interaction between near field and far field pressurearches at different mining stages,and a typical mechanical model of mining area pressure arches was established.The principal stressdistribution of each mining stage was obtained.The stress development of the overlying thin bedrock in shallow coal horizontal mining wasanalyzed using a combination of numerical simulation and experimental methods.The evolution characteristics of near-field and far-fieldcomposite pressure arches are of great significance for the stability of overlying strata and mining safety.Key words:shallow mining;overlying strata;pressure arch;instability2017.4Dongfeng He，贺东风，FanboZeng，等.含钛高炉渣综合利用现状及前景C/四川省金属学会.2 0 14第三届钛资源综合利用新技术学术交流会论文集，2 0 14:1-6.5刘璐.含钛高炉渣结晶行为的研究D.重庆：重庆大学,2 0 15.6 成尚军.高炉渣资源化生产绿色建材的环境效益研究J.住宅与房地产,2 0 16（12）：8 1-8 2.7张悦，薛向欣.由含钛高炉渣制备叶面肥及甜玉米栽培实验研究J.东北大学学报（自然科学版），2 0 16（4)：50 4-50 7.8何哲祥，张亚星，李雷.基于高炉渣的重金属废水净化材料的研制J.有色金属科学与工程,2 0 19(2):47-51.9欧阳觅路，马小翠,张青,利用钢渣制备耐磨地坪材料J.粉煤灰综合利用，2 0 17(6)：37-39.10姚帅锋，许红亮，孙俊民，等，利用高铝粉煤灰制备多孔陶瓷工艺研究J.人工晶体学报，2 0 19（4)：6 8 7-6 9 2.11许俊，韩志伟，邹德余蒙特卡洛优化法在炼焦配煤中的应用J.燃料与化工,2 0 0 1(1):13-15.12高启瑞，宋波，杨占兵，等.含钛高炉渣碳化及超重力分离碳化钛的研究J.有色金属科学与工程,2 0 17(2)：1-7.13牛亚慧，都兴红，杨万虎，等.改性高钛高炉渣的浮选性能J.材料与冶金学报，2 0 12(1)：13-17.14李锐.含钛高炉渣的选择性分离D.沈阳：东北大学，2 0 13.15陈晓风.优化高钛渣项目设计为氯化钛白粉生产提供优质钛原料J.有色金属设计,2 0 19（2：47-50.16隋丽丽，翟玉春，葛欣，等.硫酸铵焙烧钛渣提钛的研究J.矿冶,2 0 16(2):40-43.17张晗，隋丽丽，葛欣，等.钛渣硫酸铵焙烧法提钛渣提硅试验研究J.矿产综合利用,2 0 18(1):111-114.(编辑：武倩倩）Liu Rongjiang,Liu Lina?MiningZhengXi