深井回采工作面覆巖運動及煤體應(yīng)力分布規(guī)律

孫廣義， 陶 凱， 陳 剛， 林井祥

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

深井回采工作面覆巖運動及煤體應(yīng)力分布規(guī)律

孫廣義， 陶 凱， 陳 剛， 林井祥

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

為保證深部開采礦井安全高效生產(chǎn)，根據(jù)東海煤礦32#右十一回采工作面地質(zhì)資料，采用RFPA、ANSYS軟件對深部回采工作面覆巖關(guān)鍵層運動規(guī)律及煤體內(nèi)的應(yīng)力變化情況進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，開采深度越大工作面覆巖關(guān)鍵層的破斷距離越小，頂板周期來壓步距越短;該工作面的周期來壓步距為30 m左右，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果吻合;隨著回采工作面的推進，高應(yīng)力區(qū)向遠離工作面的煤體內(nèi)部移動，且煤柱上的高應(yīng)力分布帶移動量大于煤體上的移動量。該研究為礦井深部開采超前支護及沖擊礦壓防治提供了參考。

深井回采;覆巖運動;煤體應(yīng)力;關(guān)鍵層;數(shù)值模擬

隨著煤炭需求量的日益增加，煤礦深部開采成為世界上主要產(chǎn)煤國家目前和將來要面臨的問題。我國東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，能源需求量大，礦井延深速度快，一些國有重點煤礦已開始轉(zhuǎn)向或即將進入深部開采階段［1］。根據(jù)開采經(jīng)驗，當(dāng)?shù)V井開采深度超過600 m時，會出現(xiàn)諸如礦山壓力明顯增大、瓦斯含量增高、地溫升高［2］等一些特有的現(xiàn)象，而淺部開采的支護方式、采掘方法已不完全適用，故而給煤礦生產(chǎn)帶來安全隱患，因此，亟需對深部開采條件下的工作面覆巖及煤體受力情況進行研究，以保證礦井安全高效生產(chǎn)。

東海煤礦32#右十一采煤工作面回采時的礦壓顯現(xiàn)明顯區(qū)別于其他淺部礦井。筆者采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實際觀測相結(jié)合的方法［3］研究了該工作面埋深1 050 m時上覆巖層的基本運動規(guī)律及煤體內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，為該礦深部開采超前支護及沖擊礦壓防治提供了依據(jù)。

1 工作面地質(zhì)概況

東海煤礦 32#右十一采煤工作面面積為160 050 m2，采用走向長壁采煤法開采。煤層為向南傾斜的單斜構(gòu)造，穩(wěn)定，無褶皺，最大涌水量為1～2 m3/h。煤厚1.5 m左右，直接頂、直接底均為頁巖。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，開采范圍內(nèi)未預(yù)測到較大斷層，僅在右十一路9#點后4.5 m處有一正斷層，走向170°，傾角60°，落差上幫0.5 m，下幫0.3 m，對該工作面的開采影響不大。采煤工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖1所示。

圖1 32#層煤層頂?shù)装逯鶢顖DFig.1 Coal seam roof and floor column of 32#layer

2 關(guān)鍵層破斷數(shù)值模擬及實測結(jié)果分析

2.1 關(guān)鍵層破斷數(shù)值模擬

2.1.1 關(guān)鍵層位置

關(guān)鍵層計算公式［4－5］為

式中:q1(x)m——直接頂上方m層巖層對直接頂?shù)妮d荷;

Ei——第i層巖層的彈性模量;

di——第i層巖層的厚度;

γi——第i層巖層的體積力。

根據(jù)式(1)及圖1分析32#右十一回采工作面上覆巖層。設(shè)煤層上方第一層巖層(頁巖)控制的巖層為m層，該巖層自身載荷為q1(x)1=70.3 kPa?？紤]到第二層巖層(炭質(zhì)粉砂巖)對第一層的作用，則第一層所受一、二巖層的載荷為q1(x)2=451 kPa。由此類推，第一層所受一～三巖層的載荷為q1(x)3= 456 kPa，所受第一 ～四巖層的載荷為 q1(x)4= 382 kPa。通過比較可知，第二、三層巖層對第一層巖層承受載荷有影響，第四層由于本身強度大、巖層厚，對第一層載荷沒有影響，故煤層上方第四層堅硬巖層為該工作面的關(guān)鍵層，其破斷與滑落失穩(wěn)將對工作面礦壓顯現(xiàn)造成嚴(yán)重影響［6］。

2.1.2 數(shù)值模型

文中采用RFPA軟件模擬工作面關(guān)鍵層破斷情況。數(shù)值計算模型以實際地質(zhì)概況及開采條件為依據(jù)，采用水平位移約束作為模型的邊界條件，垂直方向上底部采用位移約束?？紤]巖體自重應(yīng)力可作為垂直方向頂部約束條件，故提取頂板試樣進行力學(xué)性質(zhì)測定(力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示)，經(jīng)換算作為模型垂直方向上頂部位移約束條件［7］。

根據(jù)表1及相關(guān)約束條件，建立數(shù)值模擬計算模型。雞西東海煤礦32#右十一回采工作面埋深1 050 m，煤層厚度1.5 m，分步開挖長度為1 m，為盡量減小邊界影響，設(shè)置模型長度為200 m，高度為100 m，模型單元為200×100個，單元尺寸為1 m×1 m。

表1 32#層煤頂板巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of top coal of 32#layers

2.1.3 結(jié)果分析

已知煤層上方第四層巖層為關(guān)鍵層，模擬時將該層設(shè)為關(guān)鍵層。相同頂?shù)装鍡l件下開采深度及工作面推進距離不同時的頂板破斷情況如圖2所示。

由圖2可以看出，埋深400 m的工作面推進到60 m時頂板跨落，其周期來壓步距為60 m;埋深700 m的工作面推進到40 m時頂板跨落，其周期來壓步距為40 m;埋深1 050 m的工作面推進到30 m時頂板跨落，其周期來壓步距為30 m?？梢姡细矌r層壓力不同時，工作面頂板破斷規(guī)律不同。上覆巖層壓力越大，即開采深度越大，關(guān)鍵層破段距離越小，頂板周期來壓步距越短。

圖2 不同開采深度和推進距離時工作面頂板破斷情況Fig.2 Working face roof broken section of different mining depth and adwance distance

2.2 實測結(jié)果分析

根據(jù)2011年8月－10月YHY60(B)型礦用數(shù)字壓力計的監(jiān)測結(jié)果，對東海煤礦32#右十一回采工作面上、中、下部測站支柱受力情況進行分析。每測站支柱平均每天受力情況見圖3。

圖3 工作面各部測站支柱受力曲線Fig.3 Stress curves of working face each station pillar

已知現(xiàn)場平均每天推進距離為6 m，結(jié)合圖3可以看出，工作面周期來壓步距為24～30 m，比潛埋工作面短。這是由于在淺部呈現(xiàn)中硬巖變形破壞特征的工程巖體進入深部后轉(zhuǎn)化為高應(yīng)力軟巖，礦壓顯現(xiàn)強烈［8－9］，從而使深部老頂來壓步距較淺部短。由RFPA模擬結(jié)果可知，32#右十一回采工作面周期來壓步距為30 m左右，說明實驗室數(shù)值模擬同現(xiàn)場觀測結(jié)果是相符的。

3 煤體應(yīng)力數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

為研究深部回采工作面周圍煤體的應(yīng)力分布規(guī)律，采用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬。根據(jù)東海煤礦32#右十一回采工作面地質(zhì)條件，建立ANSYS有限元模型，模型長度、寬度均取300 m，厚度取500 m，巷道寬3 m，工作面長194 m，每次推進距離為20 m。

選用PLANE184(3D8節(jié)點單元)對幾何模型進行有限元劃分，煤柱及煤壁的單元劃分如圖4所示。

圖4 煤柱及煤壁上的單元劃分Fig.4 Unit of coal and coal pillar wall

3.2 結(jié)果分析

不同開采狀態(tài)下，深部回采工作面周圍煤體的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 不同情況下的煤體應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution of coal mass under different conditions

由圖可以看出，未受采動影響時煤柱所受壓力不大，在開切眼慣通以后煤體上的高應(yīng)力集中在切眼兩側(cè)煤體上(圖5a);隨著工作面向前推進，頂板懸露面積增大，作用在煤體上壓力也增大，當(dāng)煤壁上壓力超過其承載能力時，煤壁邊緣開始破壞，應(yīng)力逐漸向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，并形成不斷增大的集中壓力，當(dāng)開采20 m時煤柱上出現(xiàn)了高應(yīng)力區(qū)(圖5b)，工作面推進40 m時煤柱上高應(yīng)力區(qū)迅速減小(圖5c);隨著開采的進行，工作面前方煤體破壞范圍繼續(xù)擴大，當(dāng)開采距離達到60 m時，頂板完整性遭到破壞，煤柱上已無高應(yīng)力區(qū)(圖5d);而當(dāng)工作面推進到80 m時，支承壓力分布規(guī)律又與工作面推進20 m時相似(圖5e)。

通過以上分析可知，隨著回采工作面向前推進，煤體上的應(yīng)力分布和煤柱上的應(yīng)力分布情況均發(fā)生了變化，高應(yīng)力區(qū)向遠離工作面的煤體內(nèi)部移動，且煤柱上的高應(yīng)力分布帶移動量大于煤體上的移動量。

從該回采工作面支承壓力分布曲線(圖6)可以看出，支承壓力的影響范圍很大，峰值很高，峰值區(qū)距回采工作面60 m。已知不同采深條件下，支承壓力集中系數(shù)隨采深的增加是逐漸減小的，說明隨采深的增加，支承壓力集中程度減小。這是由于在高應(yīng)力作用下圍巖被壓裂、變軟，從而造成高應(yīng)力區(qū)范圍變寬，內(nèi)應(yīng)力場范圍也隨采深增加而變寬［10］。

圖6 回采工作面支承壓力分布曲線Fig.6 Distribution curve of coal face support pressure

4 結(jié)束語

根據(jù)東海煤礦32#右十一采煤工作面的地質(zhì)概況，借助RFPA和ANSYS數(shù)值模擬軟件，研究了深埋煤層覆巖關(guān)鍵層的運動規(guī)律及煤體應(yīng)力分布規(guī)律。RFPA數(shù)值模擬及礦壓觀測結(jié)果顯示，工作面埋藏越深來壓步距越小，東海煤礦32#右十一回采工作面的來壓步距為30 m左右。ANSYS的數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著回采工作面向前推進，高應(yīng)力區(qū)向遠離工作面的煤體內(nèi)部移動，且煤柱上的高應(yīng)力分布帶移動量大于煤體上的移動量。深井回采工作面覆巖運動規(guī)律研究對工作面超前支護范圍的確定、回采工作面及兩巷動壓的防治具有重要意義，為相似地質(zhì)條件的工作面生產(chǎn)提供了參考。

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Law governing overburden movement and stress distribution of coal body in deep coal mine

SUN Guangyi， TAO Kai， CHEN Gang， LIN Jingxiang
(College of Resources＆Environmental Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at ensuring the safe and high efficiency operation in the deep mine，this paper introduces the use of RFPA and ANSYS software for the numerical simulation of the laws governing the movement of key strata in overlying rock and the stress changes in coal body in deep mining faces，based on the geological data of 32#11 mining right face in Donghai mines.The results show that a deeper mining results in the smaller breaking distance of key strata in overlying rock and the shorter step of roof pressure cycle.The work face has the periodic step distance of about 30 m，as is shown by the consistence between the numerical simulation and the practical measurement.The advance of mining face results in the movement of the high stress area towards coal body away from work face，with a consequent greater movement in high stress distribution on coal pillar than on coal body.This study provides the reference for the deep mining retain and rock-burst prevention control.

deep mining recovery;overburden movement;coal stress;key layer;numerical simulation

TD325

A

1671－0118(2011)05－0368－05

2011－09－10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51074068)

孫廣義(1957－)，男，遼寧省遼陽人，教授，博士，研究方向:煤礦深部開采，E-mail:sgy8866@sohu.com。

(編輯荀海鑫)