不同充填率下煤層頂板應(yīng)力分布特征研究

段樹(shù)成

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041204)

不同充填率下煤層頂板應(yīng)力分布特征研究

段樹(shù)成

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041204)

以陽(yáng)城煤礦7302工作面為地質(zhì)背景,研究在不同充填率的情況下,煤層頂板應(yīng)力分布特征,采用的充填材料為膏體充填,利用FLAC3D數(shù)值仿真軟件,模擬充填率分別為60%、70%、80%和90%時(shí)煤層采動(dòng)頂板垂直應(yīng)力的分布特征, 為研究深部煤層頂板采動(dòng)破壞變形提供一定的理論依據(jù)。

充填率;煤層底板;垂直應(yīng)力

1 FLAC3D數(shù)值模型建立

根據(jù)陽(yáng)城煤礦7302工作面地質(zhì)條件,建立數(shù)值計(jì)算模型,見(jiàn)圖1。模型中煤層距上邊界距離為60 m,距下邊界距離為38 m。因此本模型大小為190 m×190 m×100 m(長(zhǎng)×寬×高),工作面長(zhǎng)100 m,兩側(cè)各留45 m煤柱,模擬工作面走向長(zhǎng)度為110 m,前后各留40 m煤柱。因煤層埋深為684.3 m,將所有頂板巖層簡(jiǎn)化為均布載荷8.82 MPa加在模型的上邊界。模型側(cè)面和底面限制移動(dòng),計(jì)算中煤巖采用彈塑性本構(gòu)模型,屈服準(zhǔn)則采用Mohr-coulumb準(zhǔn)則。煤層頂?shù)装鍘r層巖石力學(xué)參數(shù),如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig. 1 3D numerical calculation model

2 不同充填率下的頂板采動(dòng)垂直應(yīng)力分布特征

為研究不同充填率下的頂板采動(dòng)垂直應(yīng)力分布特征,假定充填膏體強(qiáng)度F=0.61(t-0.357)0.3。本次研究中充填率的參數(shù)變量分別為60%、70%、80%和90%。基于FlAC3D數(shù)值模擬軟件,得出不同充填率下的頂板采動(dòng)垂直應(yīng)力分布云圖,見(jiàn)圖2。

2-a 充填率為60%

2-b 充填率為70%

2-c 充填率為80%

2-d 充填率為90%圖2 不同充填率下的垂直應(yīng)力云圖Fig. 2 Vertical stress contour plot at different filling rates

由圖2可以看出:采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力大小自下而上逐級(jí)遞減,呈分層分布。工作面回采過(guò)程中,不同充填率的垂直應(yīng)力分布范圍是不斷變化的,隨著充填率的增大,采空區(qū)頂板應(yīng)力釋放程度逐漸減弱,當(dāng)充填率60%時(shí),采空區(qū)頂板應(yīng)力釋放程度較為明顯,此時(shí)垂直應(yīng)力峰值較大為45.5 MPa,之后隨著充填率的增大,當(dāng)充填率70%時(shí),垂直應(yīng)力峰值為37.1 MPa,采空區(qū)頂板應(yīng)力釋放程度變化較小;當(dāng)充填率80%時(shí),采空區(qū)頂板應(yīng)力釋放程度較弱,此時(shí)垂直應(yīng)力峰值為29.5 MPa;之后隨著充填率的增大,當(dāng)充填率為90%時(shí),垂直應(yīng)力峰值較小為28 MPa,采空區(qū)頂板應(yīng)力釋放程度基本不變?？梢?jiàn),當(dāng)充填率為60%和70%時(shí),采空區(qū)頂板受采動(dòng)影響較大,充填率大小對(duì)采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力的影響較為顯著;當(dāng)充填率為80%和90%時(shí),采空區(qū)頂板受采動(dòng)影響較小,充填率大小對(duì)采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力的影響不大,不同充填率時(shí)的覆巖沉降位移和垂直應(yīng)力演化規(guī)律如表2所示。

表2 不同充填率時(shí)的覆巖沉降位移和垂直應(yīng)力演化規(guī)律表Table 2 Evolution of overlying strata sedimentation displacement and vertical stress at different filling rates

由表2可以看出,當(dāng)充填率變化幅度為10%時(shí),采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力峰值變化幅度高達(dá)20.5%。充填率越高,覆巖沉降位移越小,垂直應(yīng)力越小,當(dāng)充填率達(dá)到80%時(shí),隨著充填率的再次增加,覆巖沉降位移和垂直應(yīng)力趨于穩(wěn)定?？梢?jiàn),充填率是覆巖沉降位移的主控參數(shù),當(dāng)采空區(qū)充填率為80%時(shí),工作面在保證安全開(kāi)采的前提下,可以大幅度降低礦區(qū)的充填成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采空區(qū)的不同充填率的充填效果進(jìn)行分析可以看出,膏體充填開(kāi)采對(duì)煤層頂板的控制效果十分明顯,不同的充填率對(duì)煤層頂板的控制效果是不同的,充填率越高效果越好,但是當(dāng)充填率達(dá)到80%后,頂板的應(yīng)力變化就趨于平緩,達(dá)到最佳充填效果,考慮到充填率越高,煤礦生產(chǎn)成本越大。綜上所述,在煤礦充填開(kāi)采過(guò)程中,充填率在80%左右時(shí),充填效果和經(jīng)濟(jì)效果最佳。

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(編輯:薄小玲)

DistributionFeaturesofCoalRoofStressatDifferentFillingRates

DUANShucheng
(BaozigouMiningCo.,Ltd.,ShanxiCoalImportandExportGroup,Linfen041204,China)

Taking No.7302 working face in Yangcheng Mine as geological background, the distribution of coal roof stress at different filling rates was studied. Paste filling was adopted. FLAC3Dnumerical simulation software was used to simulate the vertical stress distribution of roof caused by mining at the different filling rates (60%, 70%, 80%, and 90%). The study could provide the theoretical evidence for the damage and deformation of the coal roof caused by mining.

filling rate; coal floor; vertical stress

TD32

A

1672-5050(2017)03-0012-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.004

2017-05-11

段樹(shù)成(1988-),男,山西平順人,大學(xué)本科,助理工程師,從事煤礦生產(chǎn)管理工作。