不同開采條件對房采區下開采影響模擬

李志偉, 緱子錦

(山西蘭花集團 東峰煤礦有限公司,山西 晉城 048000)

不同開采條件對房采區下開采影響模擬

李志偉, 緱子錦

(山西蘭花集團 東峰煤礦有限公司,山西 晉城 048000)

22202工作面為大柳塔礦22煤二盤區已回采的大采高綜采工作面,22202工作面開采區域正上方為12煤房采采空區,12煤與22煤層間距25.8 m～30.37 m;在回順14聯行靠近2-2煤火燒邊界頂幫煤層局部松散變軟。根據22202工作面上方采空區煤柱的特點,運用FLAC3D建模分析不同煤柱情況下工作面開挖過程中煤壁超前應力分布特征、工作面開挖過程中上方采空區煤柱失穩特征和工作面頂板壓力及下沉量,得出工作面超前應力分布規律及煤層頂板下沉量變化規律。

大柳塔礦;采空區煤柱;超前應力分布;煤礦失穩;下沉量

22202工作面為大柳塔礦22煤二盤區已回采的大采高綜采工作面,煤層厚度3.7 m～4.3 m,平均煤厚3.95 m,厚度穩定,結構簡單22煤抗壓強度為6.07 MPa～23.47 MPa,平均14.5 MPa。22202工作面上部為12煤旺采區,煤柱基本未垮落。22202工作面開采區域正上方為12煤房采采空區,該房采區采用連采房柱式采煤工藝,房采采高達到7 m～7.5 m,采硐寬度5 m,煤柱7 m。采空區總面積為1.163×105m2,占22202綜采面回采面積的60%左右。12煤與22煤層間距25.8 m～30.37 m;在回順14聯行靠近2-2煤火燒邊界頂幫煤層局部松散變軟[1-6]。

22202工作面共布置185臺支架,支架額定工作阻力1.2×104kN。根據22202工作面上方采空區煤柱的特點,將工作面面長方向劃分為5個監測區,從機頭到機尾依次為機頭房采巷道區、房采小煤柱區、房采中間隔離煤柱區、房采大煤柱區和機尾集中煤柱區。為研究上覆大采高房采煤柱產生的集中應力對下煤層回采巷道變形的影響,分析22202綜采面回采時超前壓力的顯現規律,為類似22202工作面的巷道布置形式、支護參數以及超前支護方式的確定提供依據。用FLAC3D建模分析不同煤柱情況下工作面開挖過程中煤壁超前應力分布特征、工作面開挖過程中上方采空區煤柱失穩特征、工作面頂板壓力及下沉量[7-9]。

1 模型構建及力學參數

根據大柳塔礦井22202工作面的地質資料,設計模型尺寸(X×Y×Z)為500 m×55 m×83 m。模型沿推進方向(X方向)長度500 m,設計總開挖長度400 m。垂直方向(Z方向)厚度83 m,主要由5個分層構成,分別為22煤層底板(厚度5 m)、22煤層(厚度3.9 m)、22煤層頂板(厚度30.1 m)、12煤層(厚度7.3 m)和12煤層頂板(厚度36.7 m)[10-11]。模型示意圖如圖1所示。

1-a 正視圖

1-b 側視圖圖1 模型示意圖Fig.1 The model diagram

工作面頂底板巖層力學參數見表1。

表1 模型巖層力學參數

根據房采區煤柱尺寸狀況,建立4個基本模型。

模型a(小型煤柱模型):工作面上方有采空區,房柱采空區采高7.3 m,采硐寬度5 m,煤柱尺寸7 m×7 m。沿工作面開挖400 m,共分8步開挖,每次開挖50 m。

模型b(大型煤柱模型):工作面上方有采空區,房柱采空區采高7.3 m,采硐寬度5 m,煤柱尺寸15 m×40 m。沿工作面開挖400 m,共分8步開挖,每次開挖50 m。

模型c(綜合對比模型):工作面上方有采空區,房柱采空區采高7.3 m,采硐寬度5 m,開挖前半部分上方煤柱尺寸15 m×5 m,開挖后半部分上方煤柱尺寸15 m×40 m。沿工作面開挖400 m,共分8步開挖,每次開挖50 m。

模型d(實體煤模型):工作面上方12煤層均未開挖,為實體煤。

2 模型計算結果

2.1超前應力分析

工作面支承壓力分布如圖2所示,L1為應力峰值距煤壁的距離,L2為應力的超前影響范圍。

圖2 工作面支承壓力分布示意圖Fig.2 The abutment pressure distribution of the working face

煤壁前方應力集中情況如圖3,圖中分別以模型a、模型b工作面開挖400 m為例。

由圖3可知,模型a(小型煤柱)與模型b(大型煤柱)的煤壁前方集中應力距離煤壁約8 m～13 m。不同開挖階段模型a與模型b的煤壁前方集中應力值見表2。

3-a 模型a

3-b 模型b圖3 工作面開挖400 m時煤壁前方應力集中情況Fig. 3 Stress concentration in front of the coal wall when excavating roadway of 400 m

表2煤壁前方煤體集中應力

Table 2 Concentrated stress in front of the coal wall 單位:MPa

注:l代表開挖步距。

由表2可知,隨著工作面開挖,工作面煤壁前方超前集中應力呈增大趨勢,當工作面開挖至350 m,超前集中應力達到穩定,模型b(大型煤柱)的煤壁前方集中應力比模型a(小型煤柱)的煤壁前方集中應力大。

2.212煤采空區頂板下沉量分析

將工作面開切眼處定為原點(x=0)。在房采區頂板中,設置9個頂板下沉量監測點,其x坐標值分別為25 m,70 m,115 m,160 m,205 m,250 m,295 m,340 m,385 m。

模型a開挖過程中工作面上方12煤房采采空區頂板下沉量見表3。

由表3可知:在小型煤柱條件下,工作面前方0 m～50 m范圍,上方采空區的超前下沉量為100 mm～200 mm,超前下沉量較小。

12房采工作面小煤柱尺寸為7 m×7 m,煤柱高7.3 m,采硐為5 m,按照煤柱完全垮落破碎時的碎脹系數1.20算,12煤頂板下沉量最大約2 544 mm。而上方采空區的超前下沉量最大200 mm,遠小于2 544 mm,因此在8倍采高隔離巖柱條件下,小煤柱保持基本穩定。

表3 模型a開挖過程中12煤房采采空區頂板下沉量(8倍采高隔離巖柱)Table 3 Subsidence of coal roof in chamber mining goaf of No.12 coal seam in Model a (8 times of the height of isolated pillars)

模型b開挖過程中工作面上方12煤房采采空區頂板下沉量見表4。由表4可知,在大型煤柱條件下,上方采空區的超前下沉量為0 mm,即沒有出現超前垮塌現象,煤柱保持穩定。

表4 模型b開挖過程中12煤房采采空區頂板下沉量(8倍采高隔離巖柱)Table 4 Subsidence of coal roof in chamber mining goaf of No.12 coal seam in Model b (8 times of the height of isolated pillars)

模型c開挖過程中工作面上方12煤房采采空區頂板下沉量見表5。由表5可知,工作面前方0 m～50 m范圍,上方采空區的超前下沉量為10 mm～40 mm,超前下沉量很小,煤柱保持穩定。

表5 模型c開挖過程中12煤房采采空區頂板下沉量(8倍采高隔離巖柱)Table 5 Subsidence of coal roof in chamber mining goaf of No.12 coal seam in Model c (8 times of the height of isolated pillars)

2.322煤頂板下沉量

根據工作面支架選型狀況,模擬設計工作面支架的支護強度為1.38 MPa,控頂距5 m,綜采工作面采高為3.7 m。以工作面煤壁處設為坐標0點,支架側為正坐標,煤體一側為負坐標,統計模型a(小型煤柱)、模型b(大型煤柱)和模型d(實體煤)在開挖350 m后的22煤頂板下沉量,如表6所示。

由表6可知:

1)工作面支架上方,模型a(小型煤柱)頂板下沉量約為100 mm,頂板控頂效果為“好”;模型b(大型煤柱)頂板下沉量約為350 mm,頂板控頂效果為“中”;模型d(實體煤)頂板下沉量約為20 mm,頂板控頂效果為“極好”;即當上方房柱采空區為大型煤柱時,支架上方頂板下沉量要明顯大于小型煤柱條件下的頂板下沉量,而小型煤柱條件下的頂板下沉量又明顯大于實體煤條件下。

2)在實體煤一側,頂板下沉量微小,大型煤柱條件下的下沉量稍大一些。

表6 模型a、b和d的22煤工作面頂板下沉量Table 6 Roof subsidence of No. 22 coal seam working face with Model a, b, and c

3 結論

工作面開挖過程中煤壁前方集中應力距離煤壁約8 m～13 m,大煤柱條件下的煤壁前方集中應力比小煤柱條件下的煤壁前方集中應力大。

根據實際條件,設定隔離巖柱高度為8倍綜采工作面采高;小煤柱(7 m×7 m×7 m)條件下,工作面前方0 m～50 m煤柱垂向變形量200 mm(一般150 mm),煤柱保持穩定,大煤柱(15 m×40 m×7 m)條件下,工作面前方0 m～50 m煤柱垂向變形量0 mm,煤柱保持穩定;小煤柱條件下,工作面頂板下沉量約為100 mm,控頂效果為“好”,大煤柱條件下,頂板下沉量約為350 mm,控頂效果為“中”;當上方房柱采空區為大型煤柱時,支架上方頂板垂直應力比小型煤柱條件下的頂板垂直應力大0.15 MPa。

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SimulationofMiningEffectofDifferentMiningConditionsonChamberMiningGoaf

LIZhiwei,GOUZijin
(DongfengCoalMineCo.,Ltd.,ShanxiLanhuaGroup,Jincheng048000,China)

No.22202 working face is a large-mining-height fully-mechanized mining face in the second panel, No.22 coal seam, Daliuta Mine. The mining area of the No.22202 working face is directly under the chamber mining goaf of No.12 coal seam. The interval between No.12 and No.22 coal seam ranges from 25.8 m to 30.37 m. The coal roof and wall turns loose at 2-2 coal fire boundary of No. 14 air return roadway. Based on the coal pillars of the goaf above the No.22202 working face, FLAC3Dis used to analyze, under different coal pillars, pre-stress distribution of the coal wall, the instability of the coal pillars in the above goaf, and the stress and subsidence of the coal roof in order to achieve the pre-stress distribution and subsidence variation of the coal roof.

Daliuta Mine; coal pillars in goaf; pre-stress distribution; instability of mine; subsidence

1672-5050(2017)03-0004-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.002

2017-04-04

李志偉(1990-),男,山西晉城人,碩士,從事煤礦生產相關工作。

TD323

A

(編輯:楊 鵬)