近距離煤層開采礦山壓力規律數值模擬研究＊

叢 利石建軍劉洪濤

(1.神東公司榆家梁煤礦,陜西省榆林市,719316; 2.華北科技學院安全工程學院,河北省三河市,065201; 3.中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

近距離煤層開采礦山壓力規律數值模擬研究＊

叢 利1石建軍2劉洪濤3

(1.神東公司榆家梁煤礦,陜西省榆林市,719316; 2.華北科技學院安全工程學院,河北省三河市,065201; 3.中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

神東礦區榆家梁煤礦4-3煤層和4-2煤層為近距離煤層開采,通過建立FLAC數值模型,研究了4-3煤層工作面受4-2煤層工作面采空區的影響及4-3煤層工作面開采過程中的礦山壓力顯現規律,分析得出了4-3煤層工作面礦山壓力受影響的范圍及4-3煤層工作面垂直應力變化規律。

近距離煤層 煤炭開采 礦山壓力顯現 垂直應力 開采影響 榆家梁煤礦

AbstractYujialiang Coal Mine in Shendong coal mining area carry on coal mining in#4-3coal seam and#4-2coal seam,which are contiguous coal seams.On the basis of the establishment of a FLAC numerical model,a study is carried out on the impact of the face gob area in# 4-2coal seam on the coal face in#4-3coal seam and the pattern of strata behaviours in the face in #4-3coal seam.Out of the analysis,the extent of influence of the rock pressure on the face in 4-3coal seam and the pattern of vertical stress changes in this coal seam are induced.

Key wordscontiguous coal seam,coal mining,strata behaviours,vertical stress,impact of mining,Yujialiang Coal Mine

1 地質概況

榆家梁礦井運輸大巷南側二盤區賦存 4-2、4-3、5-23個煤層,4-2煤層的 44205、44206、44207已經開采,其下部的4-3煤層為中厚煤層,平均厚度為1.7 m,首采44305工作面,其東部布置44306、44307等工作面,4-2、4-3煤層工作面布置見圖1。其中4-2煤層中的44205工作面長300 m,44206工作面長360 m,44207工作面長360 m;4-3煤層中的44305工作面長300 m,44306工作面長300 m,44307工作面長300 m。

4-3煤層為較穩定局部可采煤層,位于延安組地層第三段頂部,因受古河床沖刷,在井田西北部有不可采區,井田東部有部分剝蝕沖刷區,中部楊伙盤溝有小塊火燒區,其余部分地區均為可采區。可采區內煤層結構簡單,無夾矸,煤層厚度變化小,一般在1.3m左右。煤層及頂底板柱狀圖見圖2。

2 模型的建立

4-2煤層和4-3煤層為近距離煤層開采,根據規劃的兩層煤工作面布置,4-3煤層工作面推進長度均大于4-2煤層工作面,平均工作面長為300 m, 4-2煤層工作面長為300～400 m,因此4-3煤層在推采過程中不可避免地要進出4-2煤層工作面采空區后方實體煤,當其全部推采到4-2煤采空區下方后,將承受上方采空區及區段煤柱應力集中的傳遞作用。44305、44306、44307工作面都存在這樣的問題,為便于研究,取44305工作面開采作為模型,模擬分析近距離煤層開采時的應力變化規律。

數值模擬采用FLAC數值軟件進行分析研究,考慮到所研究問題,模型尺寸范圍為700 m × 70 m。模型網格數72900個,節點數80080個,模型如圖3所示。

圖3 巷道布置的數值模擬模型

3 礦山壓力顯現規律研究

主要模擬研究內容為:

(1)44305工作面開采至44205切眼過程中實體煤的應力變化規律;

(2)44305工作面開采過44205切眼后,在采空區下方實體煤應力變化規律;

(3)44305工作面開采至44206切眼過程中實體煤受雙向采空區采動影響時,實體煤應力變化規律;

(4)44305工作面開采過44206切眼后,在采空區下方實體煤應力變化規律。

3.1 44305工作面推進至44205切眼過程中煤體應力變化

根據 FLAC模擬可以分析44305工作面推進到44205切眼過程中工作面煤壁垂直應力變化, 4-2煤層工作面和4-3煤層工作面煤壁垂直應力變化模擬統計結果如圖4所示。

圖4 44305工作面推至44205工作面切眼過程中煤體垂直應力變化

由圖4分析表明,隨著44305工作面向44205切眼接近,44305工作面垂直應力逐漸增大,應力范圍為8.0～20 MPa;當44305工作面距44205工度較快,4-3煤層開采已受到4-2煤層工作面切眼采空區后方應力集中的疊加作用,說明4-2煤層采空區后方的劇烈影響范圍為40 m;4-3煤層開采時,其相應的礦壓顯現也將越來越劇烈;鄰近巷道的工作面煤壁的應力低于遠離巷道的工作面煤壁的應力。

3.2 44305工作面推過44205切眼時煤體應力變化

當44305工作面推過44205切眼時工作面煤壁垂直應力變化情況模擬統計結果如圖5所示。由圖5分析表明,隨著44305工作面遠離44205切眼, 4-3、4-2煤層的垂直應力逐漸增大,4-3煤層開采時,受4-2煤層應力集中疊加作用,4-3煤層垂直應力增大。

圖5 44305工作面推過44205工作面切眼后煤體垂直應力變化

3.3 44305工作面推至44206切眼過程中煤體應力變化

44305工作面推進到44206切眼過程中,工作面煤壁垂直應力變化情況模擬統計結果如圖6所示,分析表明,隨著44305工作面距44206切眼接近,44305工作面應力逐漸增加,應力范圍為17～28 MPa;當44305工作面距44206切眼40 m時, 44305工作面應力增加速度較快,說明4-2煤層采空區后方的劇烈影響范圍為40 m,4-3煤層開采時,其相應的礦壓顯現也將越來越劇烈。

圖6 44305工作面推進至44206工作面切眼過程中煤體垂直應力變化

3.4 44305工作面推過44206切眼時煤體應力變化置處垂直應力變化情況模擬統計結果如圖7所示。由圖7分析表明,隨著44305工作面遠離44206切眼,4-2煤層區段煤柱應力逐漸加大,4-3煤層處于高集中應力作用,應力值穩定在30 MPa,其礦壓顯現將是穩定的。

圖7 44305工作面推過44206工作面切眼后煤體垂直應力變化

4 結論

根據對4-3煤層開采過程中工作面垂直應力變化規律的分析,結論如下:

(1)4-3煤層44305工作面向4-2煤層44205、44206工作面切眼接近,4-3、4-2工作面的垂直應力逐漸增大,4-2煤層44205、44206工作面采空區后方的劇烈影響范圍為40 m。相對應地,4-3煤層開采時,其礦壓顯現也將越來越劇烈。

(2)隨著44305工作面遠離4-2煤層工作面切眼,4-3、4-2煤層工作面的垂直應力逐漸增大。

(3)實際開采4-3煤層工作面時,可根據礦山壓力顯現規律采取相應的控制措施。

[1]柏建彪,侯朝炯,黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究 [J].巖石力學與工程學報,2004(20)

[2]Whittaker B N.Design and stability of pillar in longwall mining[J].Mining Engineer,1979(13)

[3]萬志軍,衛建清等.房柱式開采巷道圍巖控制數值模擬研究 [J].巖石力學與工程學報,2002(6)

[4]杜善周,叢利.榆家梁煤礦合理工作面長度及煤柱寬度研究 [J].陜西煤炭,2008(7)

A numerical simulation research on rock pressure pattern during coal mining in contiguous coal seams

Cong Li1,Shi Jianjun2,Liu Hongtao3
(1.Yujialiang Coal Mine,Shendong Coal Company,Yulin,Shaanxi province 719316,China; 2.School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology, Sanhe,Hebei province 065201,China 3.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology Beijing Campus,Haidian District,Beijing 100083,China)

TD323

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叢利 (1975-),男,黑龍江人,碩士研究生,神東公司榆家梁煤礦生產副總工程師。

(責任編輯 張毅玲)

中國礦業大學 (北京)青年基金項目