常村煤礦沖擊礦壓數(shù)值模擬研究

董 帥 周邵華 畢思杰 施海生 張科星

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;3.義馬煤業(yè)集團常村礦沖擊礦壓防治辦公室,河南省三門峽市,472301)

常村煤礦沖擊礦壓數(shù)值模擬研究

董 帥1,2周邵華1,2畢思杰3施海生3張科星3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;3.義馬煤業(yè)集團常村礦沖擊礦壓防治辦公室,河南省三門峽市,472301)

根據(jù)常村煤礦的采掘工藝和地質(zhì)條件,分析了其沖擊礦壓頻繁發(fā)生的原因,通過數(shù)值模擬研究了工作面開采及巷道開挖前后的應(yīng)力分布情況,結(jié)果表明,在工作面和巷道開挖過后底板的水平應(yīng)力是不斷增加的,而21132工作面進風巷在采掘過程中沖擊礦壓頻繁發(fā)生經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)政策,針對相應(yīng)問題提出了解決方案。

沖擊礦壓 數(shù)值模擬 應(yīng)力疊加 常村煤礦

1 礦井概況

義馬煤業(yè)集團常村煤礦位于河南省義馬市常村鎮(zhèn)境內(nèi),礦井設(shè)計生產(chǎn)能力180萬t/a。礦井21采區(qū)走向長2141～3226 m,傾斜長1438 m,開采2#、3#煤層,平均厚度為5.63 m。隨著礦井采深的不斷加大,沖擊礦壓對巷道造成了不同程度的破壞,并有愈加強烈之趨勢,嚴重影響了安全生產(chǎn)。特別是在21132工作面采掘過程中,沖擊礦壓顯現(xiàn)尤為嚴重。

2 沖擊礦壓現(xiàn)象分析

常村礦開采進入21采區(qū)深部后,在采掘過程中頻繁發(fā)生沖擊事故,主要表現(xiàn)為:底臌以及兩幫相對移近,其中巷道的底臌顯現(xiàn)比重較大,累計破壞巷道達1000 m以上。特別是在21132工作面進風巷150～500 m范圍內(nèi),沖擊礦壓發(fā)生的頻率最高,見圖1(a)。

21132工作面上部為2111工作面采空區(qū),下部為未開采的2115工作面,工作面回風巷布置在21131采空區(qū)下部,與21131進風巷內(nèi)錯5 m,21132工作面進風巷布置在實體煤內(nèi),相對上分層進風巷外錯20 m,見圖1(b)。通過分析研究21132工作面的開采技術(shù)條件,由圖1(b)可以看出,進風巷恰位于煤柱的高應(yīng)力區(qū)域,這個區(qū)域存在著多個煤柱的疊加,較高的疊加應(yīng)力最終導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生。

圖1 常村礦21132工作面布置圖

3 數(shù)值模擬研究

為了定量化研究常村煤礦發(fā)生沖擊礦壓的原因以掌握其規(guī)律,以21132工作面進、回風巷為研究對象,采用FLAC2D軟件進行模擬,主要分析了隨著工作面的回采,21132巷道系統(tǒng)中應(yīng)力分布特征的變化,研究得出了現(xiàn)有巷道系統(tǒng)布置存在較大沖擊危險性的原因。

3.1 模擬條件

模型大小為465 m×170 m,網(wǎng)格比例總體上為1∶1,以此模擬了2111工作面和2113工作面的傾向長度范圍。模型采用莫爾-庫侖準則計算,模型在煤層的底板布置了一條應(yīng)力監(jiān)測線,用以分析應(yīng)力的變化情況。模型開挖主要分為以下幾個步驟:整體開挖2111工作面;開挖21131工作面;開挖21132工作面進、回風巷;開挖21132工作面。每次開挖后,分析應(yīng)力的重新分布狀態(tài),初始模型見圖2。

圖2 初始模型

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)初始平衡后應(yīng)力分布情況。

初始平衡后應(yīng)力分布情況見圖3,可以看出,初始應(yīng)力平衡后,原巖應(yīng)力區(qū)域最大應(yīng)力為11.5 M Pa,此時應(yīng)力尚未受到采掘活動的影響。

圖3 初始狀態(tài)的應(yīng)力分布

(2)21131工作面采后應(yīng)力分布情況。

21131工作面采后應(yīng)力變化見圖4,可以看出,采后應(yīng)力發(fā)生了很大的變化,這是由于位于21131工作面上部的2111工作面直接頂垮落,在采空區(qū)的兩側(cè)都形成了較高的支撐應(yīng)力,工作面上方巖層出現(xiàn)了塑性應(yīng)力區(qū)域。圖4中的2111采空區(qū)中部底板出現(xiàn)垂直應(yīng)力升高,是由于頂板的垮落,使得底板重新受力引起的。此時垂直應(yīng)力最大值為32.1 M Pa,是原巖應(yīng)力的3倍。采空區(qū)內(nèi)的受力很小,3個煤柱對應(yīng)3個垂直應(yīng)力峰值,說明其受力很大。由圖5可看出21132工作面進風巷掘進至25～27 m位置(高應(yīng)力區(qū)域),回風巷掘進至200～202 m位置(低應(yīng)力區(qū)域),這正是在掘進過程中進風巷頻繁發(fā)生沖擊礦壓的原因。

圖4 21131工作面采后應(yīng)力變化

21132進、回風巷開挖后垂直應(yīng)力分布情況見圖5,進風巷最大垂直應(yīng)力為40 MPa,回風巷最大垂直應(yīng)力為27 M Pa,兩者相比為1.5倍,導(dǎo)致了進風巷的變形量遠遠大于回風巷,見圖6。實際情況表明,進風巷的底臌量和兩幫移近量都要比回風巷大的多,說明進風巷周圍存在著較大的疊加應(yīng)力。

(4)21132工作面采后應(yīng)力分布情況。

21132工作面采后進風巷周圍的最大垂直應(yīng)力為24.6 M Pa,是原巖應(yīng)力的2.5倍,較21132進、回風巷開挖后垂直應(yīng)力有所下降,但應(yīng)力水平仍然很高,主要原因是上覆巖層垮落使采空區(qū)底板受力,使得煤柱的集中應(yīng)力有一定程度的下降,同時也說明采空區(qū)懸吊頂板的及時斷裂有利于防治沖擊礦壓的發(fā)生。

(5)開挖過程中底板水平應(yīng)力的變化。

底板沖擊礦壓的發(fā)生在很大程度上取決于水平應(yīng)力的大小和當時底板巖層的物理性質(zhì)以及完整程度。因此,研究底板水平應(yīng)力的變化可以在一定程度上預(yù)知發(fā)生底板型沖擊礦壓的危險程度。

模型求得2111、21131和21132工作面回采后底板的水平應(yīng)力分別為10 M Pa、18 M Pa和19 M Pa,可看出煤柱中的水平應(yīng)力急劇升高。當巷道掘進至煤柱中時,底板中的水平應(yīng)力還會有所增加,而對于常村礦的炭質(zhì)泥巖底板來說,高水平應(yīng)力很容易導(dǎo)致底板型沖擊礦壓的發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)在深井開采條件下,留設(shè)大煤柱容易聚集大量的彈性能,大量的彈性能為沖擊礦壓的發(fā)生提供了力源條件。故不應(yīng)將巷道布置在煤柱高應(yīng)力區(qū)域。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示在工作面和巷道開挖過后底板的水平應(yīng)力是不斷增加的,而對于常村礦的炭質(zhì)泥巖底板來說,較高的水平應(yīng)力很容易導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生。

[1] 錢鳴高,石平五等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社

[2] 竇林名,何學(xué)秋等.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社

[3] 盧新偉,竇林名等.巨厚火成巖下礦震分布特征分析[J].煤炭工程,2010(7)

[4] 徐學(xué)鋒,竇林名等.煤礦巷道底板沖擊礦壓發(fā)生的原因及控制研究[J].巖土力學(xué),2010(6)

Numerical simulation research on reasons of rock-burst happened in Changcun coal mine

Dong Shuai1,2,Zhou Shaohua1,2,Bi Sijie3,Shi Haisheng3,Zhang Kexing3
(1.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;2.State Key Lab of Coal Resources and Safe Mining,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;3.Rock-burst Prevention and Cure Office,Changcun Mine of Yima Coal Mining Group,Sanmenxia,Henan province 472301,China)

Based on mining and geological conditions at Changcun coalmine,the author analyzed the reasons of rock burst happening frequently there.Through numerical simulation,stresses distribution at working faces and roadways before and after excavation is researched.The result indicates that,floor’s horizontal stress of the working faces and road ways is constantly increasing after excavation,and reasons of happening rock burst frequently during excavation of the down gate at 21132mining face is that,the gate is excavated in the stress superposition area.

Rock burst,Reason,numerical simulation,stress superposition,Changcun coal mine

TD324

B

董帥(1985-),男,山西臨汾人,中國礦業(yè)大學(xué)采礦專業(yè)碩士研究生,研究方向為巖層移動與綠色開采。

(責任編輯 梁子榮)