任軍科
(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團 東溝煤業(yè)有限公司,山西 鄉(xiāng)寧 042100)
特厚煤層充填開采條件下分層開采的高度和控頂距研究
任軍科
(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團 東溝煤業(yè)有限公司,山西 鄉(xiāng)寧 042100)
針對國內某大型煤礦開采煤層厚度大、埋深深的特點,分析了不同采高、不同開采控頂距條件下工作面采場圍巖的穩(wěn)定性,得出了采高、控頂距對采場圍巖的影響關系。
特厚煤層;充填開采;采高;控頂距
為了保證某大型礦井特厚煤層分層開采時工作面的圍巖穩(wěn)定,并解決因開采帶來的地表沉陷問題,針對該礦充填開采的特性,分析了不同分層開采高度、不同控頂距條件下工作面周圍巖體的應力特征和位移特征,研究了分層高度和控頂距對采場圍巖穩(wěn)定性的影響。
該礦井開采煤層為四分層,為了分析開采高度和控頂距對工作面圍巖穩(wěn)定性的影響程度,分析開采高度為2m、4m、6m,控頂距為12m、4m時采場圍巖的穩(wěn)定性。其各分層煤巖的物理力學特性參數如表1所示。模型上邊界為應力邊界,受上覆巖層自重應力作用,取為q=13.6MPa;左右邊界為水平位移固定約束;下邊界為鉛垂位移固定約束,重力加速度g=10m/s2。見圖1。
編制有限元程序時,基于的理論依據如下:
平衡微分方程:σij,i+Fj=0.
幾何方程:εij=0.5(μi,j+μj,)i.
應變協(xié)調方程:εij,kl+εkl,ij-εik,jl-εjl,ik=0.
物理方程:σij=λεkkδij+2Gεij.
Drucker模型:(fI1,J)2=αI1+=K.
圖1 計算模型圖
表1 煤巖物理力學參數表
建立開采高度分別為2m、4m、6 m,控頂距分別為12m、4m時的6種數值計算模型,分析其各自的應力分布和位移分布數據后,提取數據,繪制出了圖2的采場圍巖破壞區(qū)域分布圖。從圖2知,工作面采過后,其后方采空區(qū)域的頂板和底板圍巖、工作面控頂距區(qū)域頂板和底板都發(fā)生了破壞,工作面煤壁前方出現了較大的卸壓區(qū)域及破壞區(qū)域。
整個圍巖破壞區(qū)域分布中,充填體并未顯示破壞,是因為計算中采用的充填體材料是線彈性模型;在圖中畫的區(qū)域形成破壞區(qū),由于充填體用彈性材料模型計算,所以沒有屈服。如果開采高度過高,會在左上角也形成破壞區(qū),這是由于模型邊界過小,填充體和巖體材料力學參數相差太多,根本不是一個級別造成的。整個破壞區(qū)域大致分為六個:采空區(qū)的頂板巖層及底板巖層、工作面控頂區(qū)域的頂板巖層及底板巖層、工作面前方煤壁、工作面前方老頂巖層。其中五個是連通的(采空區(qū)的頂板巖層及底板巖層、工作面控頂區(qū)域的頂板巖層及底板巖層、工作面前方煤壁)。
圖2 工作面開采后圍巖破壞區(qū)域分布圖
表2是不同方案條件下采場圍巖最大應力及頂底板位移的數據。從表2看出,最大頂板下沉量是采高6 m、控頂距12 m時,下沉量達0.247 m,此時底板底鼓量為0.041m。從表2可以基本得出這樣結論:該礦背景條件下,頂板下沉量受采高影響為主,底板底鼓量受控頂距影響較大。
從此結果看出,開采高度和控頂距對采礦安全的影響非常明顯。隨著開采高度和控頂距的增大,工作面周圍圍巖的破壞區(qū)越來越大,鉛垂應力峰值向工作面深部移動。在工作面前方,形成了破壞區(qū),這是塑性求解和彈性求解的不同;采用彈性算法在工作面處的應力要大于再往深部的;但是塑性求解工作面由于進入破壞區(qū)、應力降低,再往里面應力會漸升高、再降低,最后進入原巖應力區(qū)。因此,尋找合理的采高和控頂距對于采礦安全非常重要。
表2 模型中各自最大應力和頂底板位移表
本文針對國內某大型煤礦開采煤層厚度大、埋深深的特點,分析了不同采高、不同開采控頂距條件下工作面采場圍巖的穩(wěn)定性,得出了采高、控頂距對采場圍巖的影響大小及影響效果。研究表明:(1)在六種不同的開采方案中,最大頂板下沉量是采高6m、控頂距12 m時,下沉量達0.247 m,此時底板底鼓量為0.041m。(2)該礦背景條件下,頂板下沉量受采高影響為主,底板底鼓量受控頂距影響較大。(3)隨著開采高度和控頂距的增大,工作面周圍圍巖的破壞區(qū)越來越大,鉛垂應力峰值向工作面深部移動,在工作面前方,圍巖形成了大范圍的破壞區(qū)。
[1]錢銘高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2003.
[2]蔡美峰,何滿潮,劉東燕.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,2002.
Height and Roof-control Distance of Layer Mining in the Condition of Extra-thick Coal Seam Filling Mining
REN Jun-ke
(Donggou Coal Co.,Shanxi Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100)
In view of the thick,deep-buried seams of one big mine in China,the study examines the surrounding rock stability in different mining heights and roof-control distances and draws their relationship.
extra-thick coal seam;filling mining;mining height;roof-control distance
TD322
A
1672-5050(2012)04-0049-02
2011-09-10
任軍科(1977—),男,山西鄉(xiāng)寧人,大專,助理工程師,從事煤礦開采等方面的研究工作。
劉新光