查干淖爾一號(hào)井煤層冒放性規(guī)律研究

馬亮 李少華 毛永江 史衛(wèi)平

(1.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)第三十工程處,安徽宿州 234000;2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,國(guó)土資源與測(cè)繪工程系,山東濟(jì)南 250100)

查干淖爾一號(hào)井煤層冒放性規(guī)律研究

馬亮1李少華1毛永江1史衛(wèi)平2

(1.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)第三十工程處,安徽宿州 234000;2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,國(guó)土資源與測(cè)繪工程系,山東濟(jì)南 250100)

本文采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件,對(duì)查干淖爾一號(hào)井2號(hào)煤層的頂煤冒放性進(jìn)行評(píng)價(jià),為后續(xù)回采工藝的確定以及設(shè)備的選型提供理論依據(jù)。綜合頂煤下沉量、塑性區(qū)分布規(guī)律,獲得2號(hào)煤層在生產(chǎn)過程中頂煤易于破碎冒落,有利于頂煤的順利放出,頂煤冒放性較好。

頂煤 冒放性 數(shù)值模擬 塑性區(qū)

內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)煤炭資源豐富,分布地域廣闊。查干淖爾一號(hào)井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟阿巴嘎旗南部查干淖爾鎮(zhèn)境內(nèi)。礦井資源豐富,用戶穩(wěn)定,礦井建設(shè)規(guī)模定為8．0Mt/a,為滿足生產(chǎn)能力的要求,礦井決定采用綜采放頂煤開采工藝。綜放開采是在厚煤層的下部布置工作面,利用地壓破煤、自重落煤以將頂煤放出的一種厚煤層開采方法。其成功實(shí)施的前提是頂煤冒放性好,可以及時(shí)垮落和破碎。因此,頂煤及時(shí)垮落和充分破碎是綜放開采得以實(shí)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。在綜放開采中,頂煤破壞的主要?jiǎng)恿碜缘V山壓力,頂煤能否及時(shí)垮落和充分破碎主要取決于煤體的整體強(qiáng)度和礦山壓力的大小。當(dāng)?shù)V山壓力作用不能使頂煤及時(shí)垮落和充分破碎時(shí),大量頂煤將難以回收,造成資源浪費(fèi)。只有良好的頂煤冒放性才能確保放頂煤采煤工藝的順利實(shí)施,因此在采用放頂煤開采工藝時(shí),首先要對(duì)頂煤冒放性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 2號(hào)煤層綜放采場(chǎng)模型

圖2 3.0m割煤高度時(shí)位移演化規(guī)律

表1 各巖層所取力學(xué)參數(shù)

本文在已有地質(zhì)報(bào)告的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬方法,對(duì)2號(hào)煤層的頂煤冒放性進(jìn)行評(píng)價(jià),為后續(xù)回采工藝的確定以及設(shè)備的選型提供理論依據(jù)。本文主要研究放頂煤開采頂煤破壞運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在采場(chǎng)模擬方面FLAC3D具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因此本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析。

1 模擬方案的確定和模型的建立

1.1 模擬方案的確定

為了全面、系統(tǒng)地反映頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律,結(jié)合查干淖爾一號(hào)井2號(hào)煤層地質(zhì)條件,建立三維模型對(duì)其進(jìn)行模擬分析。通過建立工作面采場(chǎng)模型,模擬分析煤層采出后頂煤應(yīng)力演化規(guī)律、頂煤下沉規(guī)律、塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律等內(nèi)容,全面掌握綜放采場(chǎng)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)頂煤冒放性做出評(píng)價(jià)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件,分別選取割煤高度3．0m、4．0m、5．0m建立模型,模擬在不同采高條件下工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律,借以分析不同采高條件下頂煤冒放性。

圖3 煤層頂板位移演化曲線

圖4 3.0m割煤高度時(shí)塑性區(qū)分布規(guī)律

圖5 4.0m割煤高度時(shí)位移演化規(guī)律

圖6 煤層頂板位移演化曲線

圖7 4.0m割煤高度時(shí)塑性區(qū)分布規(guī)律

圖8 5.0m割煤高度時(shí)位移演化規(guī)律

圖9 煤層頂板位移演化曲線

圖10 5.0m割煤高度時(shí)塑性區(qū)演化規(guī)律

1.2 模型的建立

2號(hào)煤層埋藏深度為214m,根據(jù)鉆孔資料建立模型,在建立模型過程中,適當(dāng)簡(jiǎn)化地質(zhì)條件,工作面走向方向取90m,工作面傾向方向取80m,模型高度取5ss4m,其上覆巖層重量采用施加壓力的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)確定各巖層采用的巖體力學(xué)參數(shù),力學(xué)參數(shù)的選取見表1。

模型側(cè)面限制水平移動(dòng),底面限制垂直移動(dòng),采場(chǎng)模型如圖1所示。模擬過程中沿走向方向分步開挖,每次開挖10m,選取開挖30m、40m、50m計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2 頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬結(jié)果分析

通過模擬計(jì)算獲得了不同采高條件下工作面推進(jìn)過程中頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律,現(xiàn)將頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬結(jié)果分析如下。

2.1 3.0m采高時(shí)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1.1 位移演化規(guī)律分析

工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)沿煤層走向和傾向方向頂煤位移演化規(guī)律如圖2所示,煤層頂板位移演化曲線如圖3所示。由圖可以看出,工作面上方頂煤及覆巖位移分區(qū)性明顯。工作面上方存在最大下沉位移區(qū)域、次大下沉位移區(qū)域,該兩區(qū)域均隨工作面推進(jìn)距離的增加逐漸向前擴(kuò)展、向上擴(kuò)展。采空區(qū)底板處存在較大正向位移,即底鼓現(xiàn)象,這與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)相一致。在工作面推進(jìn)30m時(shí),其次大位移區(qū)域已擴(kuò)展至2煤頂板,頂煤在該范圍內(nèi)即已發(fā)生離層和冒落。因此,在3．0m割煤高度時(shí)頂煤能充分冒落。

圖11 煤層頂板位移演化曲線

圖12 煤層頂板垂直應(yīng)力演化曲線

2.1.2 頂煤塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律分析

工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)沿煤層走向和傾向方向頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律如圖4所示。由圖可以看出,煤層采出后頂煤破壞嚴(yán)重。采空區(qū)上方頂煤以拉破壞為主,其中存在少量的剪破壞形式,破壞區(qū)域隨工作面推進(jìn)逐漸向上、向前擴(kuò)展。煤壁位置以剪切破壞為主,在生產(chǎn)過程中應(yīng)采取措施控制頂煤偏幫現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 4.0m采高時(shí)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.2.1 頂煤位移演化規(guī)律分析

工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)沿煤層走向和傾向方向頂煤位移演化規(guī)律如圖5所示。煤層頂板位移演化曲線如圖6所示。由圖可以看出,在采高4．0m條件下位移演化規(guī)律與3．0m采高時(shí)位移演化規(guī)律相似。相同推進(jìn)距離時(shí),4．0m采高頂煤最大下沉量稍大于3．0m采高頂煤下沉量。采空區(qū)上方最大位移區(qū)域、次大位移區(qū)域均隨工作面推進(jìn)距離的增加逐漸增大,隨工作面推進(jìn)距離的增加逐漸向上擴(kuò)展。

2.2.2 頂煤塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律分析

工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)沿煤層走向和傾向方向頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律如圖7所示。由圖可以看出,采空區(qū)周圍巖層均已發(fā)生破壞,采空區(qū)上方頂煤發(fā)生破壞形式以拉破壞為主,煤層底板破壞形式以剪切破壞為主。隨工作面向前推進(jìn)采空區(qū)上方拉破壞區(qū)域隨工作面推進(jìn)逐漸向上、向前擴(kuò)展。對(duì)比采高3．0m時(shí)頂煤塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律,相同推進(jìn)距離時(shí),隨采高增加頂煤塑性區(qū)逐漸向上擴(kuò)展。

2.3 5.0m采高時(shí)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.3.1 頂煤位移演化規(guī)律分析

工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)沿煤層走向和傾向方向頂煤位移演化規(guī)律如圖8所示。煤層頂板位移曲線如圖9所示。由圖可以看出,在采高5．0m條件下,其位移分布規(guī)律與4．0m采高時(shí)相似,隨工作面推進(jìn)距離的增加頂板下沉量逐漸增大。相同推進(jìn)距離時(shí),頂煤最大下沉量稍大于4．0m采高條件下頂煤下沉量,隨割煤高度的增加,頂煤下沉量有增大的趨勢(shì)。

2.3.2 頂煤塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律分析

工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)沿煤層走向和傾向方向頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律如圖10所示。由圖可以看出,隨推進(jìn)距離增加頂煤塑性區(qū)逐漸向上、向前擴(kuò)展。采空區(qū)上方頂煤發(fā)生拉破壞,拉破壞區(qū)域隨工作面推進(jìn)逐漸向上、向前擴(kuò)展,煤壁位置以剪切破壞為主。在工作面推進(jìn)50m時(shí),整個(gè)頂煤近于整體破壞。

綜合3．0m、4．0m、5．0m割煤高度頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析,獲得了隨工作面推進(jìn)頂煤下沉量逐漸增大,垂直主應(yīng)力數(shù)值逐漸增加,最大主應(yīng)力數(shù)值逐漸增加,塑性區(qū)逐漸向前擴(kuò)展。三種采高條件下,頂煤應(yīng)力釋放明顯,整個(gè)頂煤處于較小應(yīng)力范圍內(nèi),采空區(qū)上方存在明顯拉應(yīng)力以及無應(yīng)力區(qū)域,隨工作面推進(jìn)該拉應(yīng)力區(qū)域逐漸向上、向前擴(kuò)展,頂煤塑性破壞較嚴(yán)重,在此條件下有利于頂煤的放出。

3 不同割煤高度頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)比分析

針對(duì)不同采高條件下工作面推進(jìn)過程中頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律,現(xiàn)選取在工作面推進(jìn)50m時(shí)頂煤運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬結(jié)果對(duì)比分析如下。

3.1 頂煤位移演化規(guī)律對(duì)比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m時(shí)煤層頂板位移變化曲線如圖11所示。由圖可以看出,頂煤最大下沉量隨采高的增加逐漸增加,3．0m割煤高度時(shí)頂煤最大下沉量已擴(kuò)展至頂煤頂板位置,說明在3．0m采高時(shí)頂煤即可實(shí)現(xiàn)完全垮落。

3.2 頂煤垂直應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m時(shí)煤層頂板位置垂直應(yīng)力演化曲線如圖12所示。由圖可以看出,割煤高度3．0m時(shí)垂直應(yīng)力最大值為9．71MPa,割煤高度4．0m時(shí)最大值為9．12MPa,割煤高度5．0m時(shí)最大值為8．80MPa,可以看出,垂直應(yīng)力最大值隨割煤高度的增加逐漸降低。同時(shí)可以看出,在煤層頂板位置垂直應(yīng)力隨采高增加變化不大,其垂直應(yīng)力隨采高增加有少量的減小。

3.3 頂煤塑性區(qū)擴(kuò)展規(guī)律對(duì)比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m時(shí)沿煤層頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律對(duì)比可以看出,不同采高時(shí)頂煤破壞區(qū)域和破壞形式隨割煤高度的增加變化不大,在工作面推進(jìn)50m時(shí)采空區(qū)上方頂煤發(fā)生整體破壞,破壞形式以拉破壞為主。

綜合以上分析得出,頂煤最大下沉量隨采高的增加逐漸增加,垂直應(yīng)力數(shù)值隨采高增加逐漸降低,但在煤層頂板位置垂直應(yīng)力隨采高增加有少量減小,總體變化不大,最大主應(yīng)力數(shù)值隨采高的增加亦逐漸降低,采空區(qū)上方最小主應(yīng)力作用區(qū)域隨采高增加變化不大,頂煤破壞隨采高增加變化不明顯,破壞形式以拉破壞為主。

4 主要結(jié)論

通過模擬分析獲得3．0m、4．0m、5．0m采高下工作面推進(jìn)30m、40m、50m時(shí)頂煤位移、塑性區(qū)分布規(guī)律。通過分析獲得了隨工作面向前推進(jìn)頂煤下沉量逐漸增大,塑性區(qū)逐漸向上、向前擴(kuò)展的規(guī)律。在工作面推進(jìn)過程中,頂煤應(yīng)力釋放明顯,整個(gè)頂煤處于較小應(yīng)力范圍內(nèi),采空區(qū)上方存在明顯拉應(yīng)力以及較小壓應(yīng)力區(qū)域,隨工作面推進(jìn)該區(qū)域逐漸向上、向前擴(kuò)展,頂煤塑性破壞較嚴(yán)重,其破壞形式以拉破壞為主。同時(shí),隨割煤高度的增加頂煤下沉量逐漸增加,頂煤塑性區(qū)變化亦不明顯。綜合頂煤下沉量、塑性區(qū)分布規(guī)律,獲得2號(hào)煤層在生產(chǎn)過程中頂煤易于破碎冒落,有利于頂煤的順利放出,頂煤冒放性較好。

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馬亮(1986—),男,安徽蒙城人,2008年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程系,助理工程師,現(xiàn)任中煤第三建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司三十工程處烏蘭色太項(xiàng)目部技術(shù)經(jīng)理。