黃河北煤田薄煤層覆巖采場(chǎng)推進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

賈 珍 原少潔 張貴銀

(棲霞市金興礦業(yè)有限公司)

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·采礦工程·

黃河北煤田薄煤層覆巖采場(chǎng)推進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

賈 珍 原少潔 張貴銀

(棲霞市金興礦業(yè)有限公司)

在FLAC3D的輔助下，以緩傾斜薄煤層特點(diǎn)較為典型的黃河北煤田某礦為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)域采場(chǎng)上覆巖層采場(chǎng)推進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)、破壞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討了薄煤層開(kāi)采條件下的支承壓力分布規(guī)律，驗(yàn)證了中厚煤層、厚煤層中采場(chǎng)推進(jìn)方向動(dòng)態(tài)模型在薄煤層中的適用性。

數(shù)值模擬 緩傾斜 薄煤層 推進(jìn)方向 支承壓力

薄煤層在我國(guó)可采煤炭?jī)?chǔ)量中所占比重約20%，其中0.75～1.25 m的緩傾斜薄煤層約為74%，中等硬度以下的薄煤層為煤層總數(shù)的65%。根據(jù)對(duì)各類安全事故的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礦井巖層運(yùn)動(dòng)以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力的大小和分布條件是煤礦各類安全事故的導(dǎo)火索，由于對(duì)緩傾斜薄煤層開(kāi)采的礦山壓力和上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律掌握不夠，缺失較為有效的控制措施，因而在巷道維護(hù)和采場(chǎng)頂板管理方面投入大量的人力、物力、成本未能有效減少。為實(shí)現(xiàn)緩傾斜薄煤層煤礦安全高效生產(chǎn)，需要結(jié)合我國(guó)緩傾斜薄煤層特點(diǎn)對(duì)礦山壓力、上覆巖層運(yùn)動(dòng)的控制進(jìn)行分析[1-3]。

黃河北煤田主采煤層主要以緩傾斜薄煤層為主，根據(jù)相應(yīng)的緩傾斜薄煤層地質(zhì)情況以及采動(dòng)情況(例如開(kāi)采程序、工作面長(zhǎng)度以及采高等因素)，建立對(duì)應(yīng)的緩傾斜薄煤層結(jié)構(gòu)模型，確定各參數(shù)，以對(duì)鄰近工作面回采巷道掘進(jìn)準(zhǔn)備及事故進(jìn)行控制。

1 模擬軟件簡(jiǎn)介

目前在大型巖土分析方面，F(xiàn)LAC3D有著較為優(yōu)異的表現(xiàn)，在礦井巷道及工作面礦山壓力分析較為有效。由于FLAC3D的程序采用顯式有限差分，并應(yīng)用混合離散劃分單元技術(shù)，內(nèi)置多種巖土力學(xué)模型，因而可有效對(duì)巖石、土等高度非線性地質(zhì)材料的力學(xué)行為進(jìn)行相關(guān)模擬分析[4]。

該軟件內(nèi)部使用Fish語(yǔ)言編程，可自行編制相應(yīng)的函數(shù)、變量，同時(shí)可開(kāi)發(fā)自定義力學(xué)模型，保證了程序的靈活性以及使用范圍；該軟件擁有較高可視化程度的模擬輸入、輸出，在前、后處理能力方面有著不俗的表現(xiàn)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

分析黃河北煤田緩傾斜薄煤層上覆巖層在采場(chǎng)推進(jìn)方向上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，以該煤田內(nèi)緩傾斜薄煤層特點(diǎn)較為典型的某礦為參考對(duì)象，建立計(jì)算模型，通過(guò)設(shè)定平行、垂直煤層回采方向以及鉛直方向(分別為x、y、z軸，在構(gòu)建坐標(biāo)系時(shí)將垂直模型上表面向上為正)，建立該煤礦緩傾斜薄煤層模型，在x、y、z軸上設(shè)定的延伸范圍分別為325，150，70 m，回采進(jìn)尺方向長(zhǎng)度約325 m，煤層傾角平均為2°(模擬時(shí)設(shè)定為水平煤層)，平均厚度設(shè)定為1.45 m，煤層平均埋深約455 m。

開(kāi)采模型對(duì)網(wǎng)格的劃分盡量達(dá)到精細(xì)化，單元的大小形狀適中。為實(shí)現(xiàn)較為優(yōu)異的模擬、分析效果，需要控制單元大小約2.5 m。考慮到建立的模型計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)為了保證控制總體單元的計(jì)算在硬件承受范圍內(nèi)，要放大一部分離采場(chǎng)較遠(yuǎn)的單元體[5]。整個(gè)模型通過(guò)8節(jié)點(diǎn)六面體單元構(gòu)建，最終模型的三維視圖和煤層視圖如圖1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 計(jì)算三維模型

材料號(hào)巖性名稱容重/(kN/m3)泊松比摩擦角/(°)變形模量/GPa內(nèi)聚力/MPa1上覆巖體25100．1873242．98．52泥巖19730．204321963細(xì)沙巖25800．159335084泥巖19730．204321965煤層13800．280281．526粉沙巖25810．1693730．77

2.3 模擬步驟

根據(jù)薄煤層埋深、容重、測(cè)壓系數(shù)等對(duì)模型進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算，沿開(kāi)采方向?qū)Υ擅簩臃植介_(kāi)挖，共進(jìn)行了130步模擬開(kāi)挖，循環(huán)進(jìn)尺2.5 m。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2為煤層回采到不同推進(jìn)進(jìn)尺距離情況下煤層的支承壓力云圖。

圖2 緩傾斜薄煤層各進(jìn)尺煤層支承壓力云圖

結(jié)合相應(yīng)礦山壓力理論，分析以上不同進(jìn)尺薄煤層支撐壓力云圖，可得出以下結(jié)論：

(1)煤層最大支承壓力伴隨推進(jìn)距離的不斷增大相應(yīng)增大，支承壓力最大值出現(xiàn)在工作面進(jìn)尺約225 m時(shí)，最大數(shù)值為26.1 MPa。

(2)支承壓力峰值位置伴隨工作面的推進(jìn)不斷深入煤壁，當(dāng)工作面進(jìn)尺約225 m時(shí)最大峰值出現(xiàn)，深入煤壁10 m左右。

(3)隨開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行，上覆巖層會(huì)按照從下往上的順序發(fā)生沉降、斷裂、冒落等巖層運(yùn)動(dòng)，造成礦山壓力的重新分布，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的煤巖體變形破壞以及各類支承體的應(yīng)力變化[6-7]。另外，支承體的力學(xué)性質(zhì)與覆巖的破壞關(guān)系密切，相異的支承體力學(xué)狀態(tài)對(duì)上覆巖層在邊界附近的斷裂規(guī)律會(huì)產(chǎn)生改變。在井下各類巖層中，只有直接頂可以直接觀察監(jiān)測(cè)，要對(duì)覆巖破壞運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、煤體狀態(tài)以及支承壓力分布等進(jìn)行推斷時(shí)，可在具體采場(chǎng)巷道及推進(jìn)工作面進(jìn)行適當(dāng)觀測(cè)，如支架承載和頂、底板位移等。所以，“支承壓力及其顯現(xiàn)與薄煤層覆巖的關(guān)系”是“正演”和“反演”的關(guān)系，此即為薄煤層開(kāi)采時(shí)相關(guān)巖層穩(wěn)定及失穩(wěn)的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

黃河北煤田緩傾斜薄煤層采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了相應(yīng)的支承壓力分布變化，同時(shí)，煤體的力學(xué)特性也會(huì)導(dǎo)致支承壓力分布變化。先前建立的沿采場(chǎng)推進(jìn)方向的動(dòng)態(tài)模型在薄煤層應(yīng)用方面理論和實(shí)踐較少，均是應(yīng)用于厚煤層以及中厚煤層，通過(guò)對(duì)該黃河北煤田緩傾斜薄煤層較為典型的某礦進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算、分析，可證明在緩傾斜薄煤層采場(chǎng)中也存在著類似的沿采場(chǎng)推進(jìn)方向的動(dòng)態(tài)模型，為該地區(qū)煤田緩傾斜薄煤層的采場(chǎng)控制設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒。

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[2] 毛德兵，藍(lán) 航，徐 剛.我國(guó)薄煤層綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)及其新進(jìn)展[J].煤礦開(kāi)采，2011，16(3)：11-14.

[3] 鐘兆華.綜采技術(shù)在較薄煤層工作面如何實(shí)現(xiàn)高效[J].煤炭技術(shù)，2009，8(12)：118-120.

[4] 王 濤,韓 煊,趙先宇.FLAC3D數(shù)值模擬方法及工程應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2015.

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[6] 曹建輝,劉華君.急傾斜薄煤層工作面采場(chǎng)應(yīng)力及頂板垮落變形規(guī)律研究[J].中州煤炭,2015(2):45-48，52.

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Movement Regularity of the Overlying Strata Stope Advancing Direction of the Thin Coal Seam in North Coalfield of Yellow River

Jia Zhen Yuan Shaojie Zhang Guiyin

(Qixia Jinxing Mining Co.,Ltd.)

Based on FLAC3Dsoftware,taking the certain mine in the north coalfield of Yellow river as the study example,which is characterized by slow inclined coal seam.The numerical simulation analysis of movement and failure regularities of the overlying strata stope advancing direction is conducted,the distribution regularity of the abutment pressure under the condition of mining conditions of thin coal seam is discussed,besides that,the applicability of the dynamic model of stope advancing direction of medium-thickness coal seam and thick coal seam in thin coal seam is verified.

Numerical simulation,Slowly inclined,Thin coal seam,Advancing direction,Abutment pressure

2016-08-31)

賈 珍(1976—)，男，工程師，碩士，265300 山東省棲霞市霞光路170號(hào)。