近距離煤層開采礦山壓力規(guī)律數(shù)值模擬研究＊

叢 利石建軍劉洪濤

(1.神東公司榆家梁煤礦,陜西省榆林市,719316; 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市,065201; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

近距離煤層開采礦山壓力規(guī)律數(shù)值模擬研究＊

叢 利1石建軍2劉洪濤3

(1.神東公司榆家梁煤礦,陜西省榆林市,719316; 2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院,河北省三河市,065201; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

神東礦區(qū)榆家梁煤礦4-3煤層和4-2煤層為近距離煤層開采,通過(guò)建立FLAC數(shù)值模型,研究了4-3煤層工作面受4-2煤層工作面采空區(qū)的影響及4-3煤層工作面開采過(guò)程中的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律,分析得出了4-3煤層工作面礦山壓力受影響的范圍及4-3煤層工作面垂直應(yīng)力變化規(guī)律。

近距離煤層 煤炭開采 礦山壓力顯現(xiàn) 垂直應(yīng)力 開采影響 榆家梁煤礦

AbstractYujialiang Coal Mine in Shendong coal mining area carry on coal mining in#4-3coal seam and#4-2coal seam,which are contiguous coal seams.On the basis of the establishment of a FLAC numerical model,a study is carried out on the impact of the face gob area in# 4-2coal seam on the coal face in#4-3coal seam and the pattern of strata behaviours in the face in #4-3coal seam.Out of the analysis,the extent of influence of the rock pressure on the face in 4-3coal seam and the pattern of vertical stress changes in this coal seam are induced.

Key wordscontiguous coal seam,coal mining,strata behaviours,vertical stress,impact of mining,Yujialiang Coal Mine

1 地質(zhì)概況

榆家梁礦井運(yùn)輸大巷南側(cè)二盤區(qū)賦存 4-2、4-3、5-23個(gè)煤層,4-2煤層的 44205、44206、44207已經(jīng)開采,其下部的4-3煤層為中厚煤層,平均厚度為1.7 m,首采44305工作面,其東部布置44306、44307等工作面,4-2、4-3煤層工作面布置見圖1。其中4-2煤層中的44205工作面長(zhǎng)300 m,44206工作面長(zhǎng)360 m,44207工作面長(zhǎng)360 m;4-3煤層中的44305工作面長(zhǎng)300 m,44306工作面長(zhǎng)300 m,44307工作面長(zhǎng)300 m。

4-3煤層為較穩(wěn)定局部可采煤層,位于延安組地層第三段頂部,因受古河床沖刷,在井田西北部有不可采區(qū),井田東部有部分剝蝕沖刷區(qū),中部楊伙盤溝有小塊火燒區(qū),其余部分地區(qū)均為可采區(qū)?？刹蓞^(qū)內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)夾矸,煤層厚度變化小,一般在1.3m左右。煤層及頂?shù)装逯鶢顖D見圖2。

2 模型的建立

4-2煤層和4-3煤層為近距離煤層開采,根據(jù)規(guī)劃的兩層煤工作面布置,4-3煤層工作面推進(jìn)長(zhǎng)度均大于4-2煤層工作面,平均工作面長(zhǎng)為300 m, 4-2煤層工作面長(zhǎng)為300～400 m,因此4-3煤層在推采過(guò)程中不可避免地要進(jìn)出4-2煤層工作面采空區(qū)后方實(shí)體煤,當(dāng)其全部推采到4-2煤采空區(qū)下方后,將承受上方采空區(qū)及區(qū)段煤柱應(yīng)力集中的傳遞作用。44305、44306、44307工作面都存在這樣的問題,為便于研究,取44305工作面開采作為模型,模擬分析近距離煤層開采時(shí)的應(yīng)力變化規(guī)律。

數(shù)值模擬采用FLAC數(shù)值軟件進(jìn)行分析研究,考慮到所研究問題,模型尺寸范圍為700 m × 70 m。模型網(wǎng)格數(shù)72900個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)80080個(gè),模型如圖3所示。

圖3 巷道布置的數(shù)值模擬模型

3 礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律研究

主要模擬研究?jī)?nèi)容為:

(1)44305工作面開采至44205切眼過(guò)程中實(shí)體煤的應(yīng)力變化規(guī)律;

(2)44305工作面開采過(guò)44205切眼后,在采空區(qū)下方實(shí)體煤應(yīng)力變化規(guī)律;

(3)44305工作面開采至44206切眼過(guò)程中實(shí)體煤受雙向采空區(qū)采動(dòng)影響時(shí),實(shí)體煤應(yīng)力變化規(guī)律;

(4)44305工作面開采過(guò)44206切眼后,在采空區(qū)下方實(shí)體煤應(yīng)力變化規(guī)律。

3.1 44305工作面推進(jìn)至44205切眼過(guò)程中煤體應(yīng)力變化

根據(jù) FLAC模擬可以分析44305工作面推進(jìn)到44205切眼過(guò)程中工作面煤壁垂直應(yīng)力變化, 4-2煤層工作面和4-3煤層工作面煤壁垂直應(yīng)力變化模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 44305工作面推至44205工作面切眼過(guò)程中煤體垂直應(yīng)力變化

由圖4分析表明,隨著44305工作面向44205切眼接近,44305工作面垂直應(yīng)力逐漸增大,應(yīng)力范圍為8.0～20 MPa;當(dāng)44305工作面距44205工度較快,4-3煤層開采已受到4-2煤層工作面切眼采空區(qū)后方應(yīng)力集中的疊加作用,說(shuō)明4-2煤層采空區(qū)后方的劇烈影響范圍為40 m;4-3煤層開采時(shí),其相應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)也將越來(lái)越劇烈;鄰近巷道的工作面煤壁的應(yīng)力低于遠(yuǎn)離巷道的工作面煤壁的應(yīng)力。

3.2 44305工作面推過(guò)44205切眼時(shí)煤體應(yīng)力變化

當(dāng)44305工作面推過(guò)44205切眼時(shí)工作面煤壁垂直應(yīng)力變化情況模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。由圖5分析表明,隨著44305工作面遠(yuǎn)離44205切眼, 4-3、4-2煤層的垂直應(yīng)力逐漸增大,4-3煤層開采時(shí),受4-2煤層應(yīng)力集中疊加作用,4-3煤層垂直應(yīng)力增大。

圖5 44305工作面推過(guò)44205工作面切眼后煤體垂直應(yīng)力變化

3.3 44305工作面推至44206切眼過(guò)程中煤體應(yīng)力變化

44305工作面推進(jìn)到44206切眼過(guò)程中,工作面煤壁垂直應(yīng)力變化情況模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示,分析表明,隨著44305工作面距44206切眼接近,44305工作面應(yīng)力逐漸增加,應(yīng)力范圍為17～28 MPa;當(dāng)44305工作面距44206切眼40 m時(shí), 44305工作面應(yīng)力增加速度較快,說(shuō)明4-2煤層采空區(qū)后方的劇烈影響范圍為40 m,4-3煤層開采時(shí),其相應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)也將越來(lái)越劇烈。

圖6 44305工作面推進(jìn)至44206工作面切眼過(guò)程中煤體垂直應(yīng)力變化

3.4 44305工作面推過(guò)44206切眼時(shí)煤體應(yīng)力變化置處垂直應(yīng)力變化情況模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。由圖7分析表明,隨著44305工作面遠(yuǎn)離44206切眼,4-2煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力逐漸加大,4-3煤層處于高集中應(yīng)力作用,應(yīng)力值穩(wěn)定在30 MPa,其礦壓顯現(xiàn)將是穩(wěn)定的。

圖7 44305工作面推過(guò)44206工作面切眼后煤體垂直應(yīng)力變化

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)4-3煤層開采過(guò)程中工作面垂直應(yīng)力變化規(guī)律的分析,結(jié)論如下:

(1)4-3煤層44305工作面向4-2煤層44205、44206工作面切眼接近,4-3、4-2工作面的垂直應(yīng)力逐漸增大,4-2煤層44205、44206工作面采空區(qū)后方的劇烈影響范圍為40 m。相對(duì)應(yīng)地,4-3煤層開采時(shí),其礦壓顯現(xiàn)也將越來(lái)越劇烈。

(2)隨著44305工作面遠(yuǎn)離4-2煤層工作面切眼,4-3、4-2煤層工作面的垂直應(yīng)力逐漸增大。

(3)實(shí)際開采4-3煤層工作面時(shí),可根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律采取相應(yīng)的控制措施。

[1]柏建彪,侯朝炯,黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(20)

[2]Whittaker B N.Design and stability of pillar in longwall mining[J].Mining Engineer,1979(13)

[3]萬(wàn)志軍,衛(wèi)建清等.房柱式開采巷道圍巖控制數(shù)值模擬研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(6)

[4]杜善周,叢利.榆家梁煤礦合理工作面長(zhǎng)度及煤柱寬度研究 [J].陜西煤炭,2008(7)

A numerical simulation research on rock pressure pattern during coal mining in contiguous coal seams

Cong Li1,Shi Jianjun2,Liu Hongtao3
(1.Yujialiang Coal Mine,Shendong Coal Company,Yulin,Shaanxi province 719316,China; 2.School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology, Sanhe,Hebei province 065201,China 3.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology Beijing Campus,Haidian District,Beijing 100083,China)

TD323

A

叢利 (1975-),男,黑龍江人,碩士研究生,神東公司榆家梁煤礦生產(chǎn)副總工程師。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)青年基金項(xiàng)目