急傾斜煤柱開采后對巷道影響的數(shù)值模擬

唐 治，潘一山，閻海鵬，李國臻，李忠華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

急傾斜煤柱開采后對巷道影響的數(shù)值模擬

唐 治，潘一山，閻海鵬，李國臻，李忠華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為提高煤炭的回收率和經(jīng)濟(jì)效益，針對長溝峪煤礦4槽煤柱，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對-230～-310水平的煤柱開采前后進(jìn)行數(shù)值模擬，得出:(1)煤柱開采以后，煤巖體總體下沉，但對-140水平巷道影響較小。(2)開采后，煤柱的中間部位是轉(zhuǎn)折區(qū)，煤柱中部以上主應(yīng)力減小，屬于安全區(qū)域;煤柱中部以下主應(yīng)力增大，隨深度的增加，主應(yīng)力增大;-320水平附近煤柱采后的主應(yīng)力是采前的2倍多，是煤柱開采后主應(yīng)力最大的地方，所以開采此區(qū)域為相對重點注意區(qū)域。(3)煤柱開采后-140水平的煤柱附近主應(yīng)力增大，是沒開采前的1.6倍，也是煤柱開采后主應(yīng)力較大的地方，開采前要適當(dāng)對-140水平煤柱附近進(jìn)行加固。數(shù)值模擬得出結(jié)果和實際開采吻合較好，因此急傾斜煤柱開采后對巷道影響的數(shù)值模擬對開采有一定的指導(dǎo)意義。

急傾斜煤柱;數(shù)值模擬;主應(yīng)力集中;巷道保護(hù);有限元模型

0引言

煤炭工業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其健康、穩(wěn)定、持續(xù)地發(fā)展是關(guān)系到國家能源安全的重大問題，也是我國國民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。我國煤炭資源十分豐富，但隨著部分老礦井可采煤量的枯竭，提高采出率尤為重要，其中提高煤柱的采出率，對提高煤礦產(chǎn)量和煤炭回收率具有重要意義。長溝峪煤礦在-140～-310m水平東一石門處，為保護(hù)東一石門的正常使用，留設(shè)了煤柱，該煤柱儲量為37200t。為有效的回收煤炭資源，提高煤炭的回收率和經(jīng)濟(jì)效益，開采-230～-310m水平東一石門4槽煤柱。但-140m水平東一石門是目前開采該區(qū)域的唯一通道，必須保證其正常使用。因此，開采-230～-310m水平東一石門4槽煤柱時，如何保護(hù)-140m水平東一石門是至關(guān)重要問題［1-3］。筆者基于ANSYS有限元軟件建立了平面有限元彈塑性本構(gòu)模型，對-230～-310水平的煤柱開采前后位移、主應(yīng)力變化進(jìn)行分析比較，找出主應(yīng)力集中部位［4-11］，提出開采措施，能為工程規(guī)劃決策者提供依據(jù)和指導(dǎo)。而且對相似條件下急傾斜煤柱的開采具有指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值模型參數(shù)選取及建立

1.1 計算基本參數(shù)的選取

煤層頂、底板情況:偽頂為粉砂巖，厚度為0.5m;直接頂為粉砂巖，厚度為15.0m;老頂為中粒砂巖，厚度為22.0m;底板為粉砂巖夾煤線，厚度為10.7m。煤層平均厚度3.0m，平均傾角55°。通過現(xiàn)場取樣，在實驗室測得煤層和巖石的力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

1.2 計算模型的建立

綜合以上基本條件，利用ANSYS有限元軟件，建立平面有限元彈塑性本構(gòu)模型，采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計算［12-16］。模型橫向 190m，縱向 210m，分老頂、偽頂和直接頂、煤層、底板四層，最細(xì)為煤層。低端固定約束，左右邊界是X方向位移約束，上邊界考慮為均布載荷即上覆巖層重量，并考慮整個模型體的自重。圖1為數(shù)值模擬模型。所設(shè)模型距地表600m，模型頂面受鉛直地應(yīng)力:

式中:ρ——上覆巖密度(kg/m3);

g——重力加速度(m/s2);

H——模型頂面距地表的距離(m)。

2 結(jié)果分析

通過建立平面有限元模型，數(shù)值模擬計算開采前后位移和主應(yīng)力變化情況，取出-140水平開采前后節(jié)點的位移和主應(yīng)力值，畫出-140水平位移和主應(yīng)力變化曲線圖。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Coal bed mechanical parameters

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.1 煤柱開采前后的位移分析

圖2 為煤柱開采前，上覆巖層重量及自重作用下在垂直剖面位移云圖。圖3為煤柱開采后垂直剖面位移云圖。

圖2 煤柱開采前垂直剖面位移云圖Fig.2 Displacement cloud chart along the vertical section before coal mining

從圖2、3中可知:煤柱開采以后，煤巖體總體下沉，開采煤柱正上方-230～-310水平之間相對較明顯，對-230水平以上及其它位置影響很小。

2.2 煤柱開采前后的主應(yīng)力分析

圖4為煤柱開采前，上覆巖層重量及自重作用下在垂直剖面應(yīng)力云圖，圖5為煤柱開采后垂直剖面主應(yīng)力云圖。

圖3 煤柱開采后垂直剖面位移云圖Fig.3 Displacement cloud chart along the vertical section after coal mining

圖4 煤柱開采前垂直剖面主應(yīng)力云圖Fig.4 Principal stress cloud chart along the vertical section before coal mining

圖5 煤柱開采后垂直剖面主應(yīng)力云圖Fig.5 Principal stress cloud chart along the vertical section after coal mining

從圖4、5中可知:

(1)沿煤層方向，從-310～-230水平開采前后主應(yīng)力都有變小的趨勢;

(2)沿煤層方向，從-230～-140水平開采前后主應(yīng)力都有變大的趨勢;

(3)沒采前頂板主應(yīng)力大小分布的總體趨勢是隨深度的增加而增大，低板則有變小的趨勢，但變化不大。低板的主應(yīng)力明顯小于頂板的主應(yīng)力。

(4)要采煤柱的中間部位是轉(zhuǎn)折區(qū)，煤柱中部以上主應(yīng)力減小，屬于安全區(qū)域;煤柱中部以下主應(yīng)力增大，隨深度的增加，主應(yīng)力增加的越大，-320水平附近煤柱采后的主應(yīng)力是采前的2倍多，是煤柱開采后主應(yīng)力最大的地方，所以開采此區(qū)域為重點注意區(qū)域。

2.3 煤柱開采后-140水平的位移分析

圖6為煤柱開采后-140水平的垂直位移模擬值及測量值變化情況。

圖6 位移變化圖Fig.6 Displacement change graph

從圖6可知:

(1)開采后對-140水平幾乎沒有影響，模擬值最大下沉0.9cm。

(2)實際開采后對-140水平的位移幾乎沒有影響，最大下沉1.2cm。

(3)煤柱開采后-140水平的垂直位移模擬值和測量值吻合較好。

2.4 煤柱開采后-140水平的主應(yīng)力分析

圖7為煤柱開采后-140水平的主應(yīng)力模擬值及測量值變化情況。

從圖7及模擬數(shù)值可知:

(1)開采后-140水平煤柱附近主應(yīng)力的模擬值增大，是沒開采前的1.6倍左右，對其它位置幾乎沒有影響。

(2)煤柱開采后-140水平的主應(yīng)力測量值最大為18MPa。

(3)煤柱開采后-140水平的主應(yīng)力模擬值和測量值吻合較好。

3結(jié)論

通過對長溝峪煤礦4槽煤柱開采的數(shù)值模擬研究，得出如下結(jié)論:

圖7 主應(yīng)力變化圖Fig.7 Principal stress change graph

(1)煤柱開采以后，煤巖體總體下沉，但對-140水平影響較小。-140水平最大下沉1.7cm。

(2)要采煤柱的中間部位是轉(zhuǎn)折區(qū)，煤柱中部以上主應(yīng)力減小，屬于安全區(qū)域;煤柱中部以下主應(yīng)力增大，隨深度的增加，主應(yīng)力增加的越大，-320水平附近煤柱采后的主應(yīng)力是采前的2倍多，是煤柱開采后主應(yīng)力最大的地方，所以開采此區(qū)域為相對重點注意區(qū)域。

(3)開采后-140水平煤柱附近主應(yīng)力增大，是沒開采前的1.6倍左右，也是煤柱開采后主應(yīng)力較大的地方，開采前要適當(dāng)對-140水平煤柱附近進(jìn)行加固。

(4)數(shù)值模擬得出結(jié)果和實際開采吻合較好，因此對急傾斜煤柱開采后對巷道影響的數(shù)值模擬對開采有一定的指導(dǎo)意義。

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Numerical simulation about influences of steep inclined coal pillar after mining on laneway

TANG Zhi，PAN Yi-shan，YAN Hai-peng，LI Guo-zhen，LI Zhong-hua
(School of Mechanics and Engineering Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

In order to improve the recovery and economic benefit of the coal mine，ANSYS finite element software is adopted to make numerical simulation for-230～-310 level coal pillar before and after mining，aiming at No.4 groove coal pillar of Changgouyu mine，and it is obtained:(1)After coal pillar mining，total of coal and rock mass is sinking，but it has little influence to-140 level laneway.(2)After mining，the middle position of coal pillar is transition region，and the principal stress above the middle of coal pillar decreases，where is safety area;the principal stress below the middle of coal pillar increases with the increase of depth;the principal stress of coal pillar nearby-320 level after mining is more than 2 times of which before mining，where is the place principal stress of coal pillar after mining is the biggest，so it is quite important region for mining.(3)The principal stress of coal pillar nearby-140 level after mining increases，which is 1.6 times of that before mining，and the place where its principal stress is bigger，so it is necessary to strengthen the coal pillar nearby-140 level properly before mining.Results obtained by numerical simulation agree well with actual mining，so numerical simulation about influences of steep inclined coal pillar after mining on laneway has certain guiding significance for mining.

steep inclined coal pillar;numerical simulation;principal stress concentration;laneway protection;finite element model

1003-8035(2010)02-0064-04

TD822+.3

A

2010-01-11;

2010-02-23

唐 治(1983—)，男，碩士，現(xiàn)從事沖擊地壓理論研究。

E-mail:tagzhi0127@163.com