大傾角煤層開采礦壓規(guī)律數(shù)值模擬

郭敬中，孟祥瑞，高召寧

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南 232001）

大傾角煤層開采礦壓規(guī)律數(shù)值模擬

郭敬中，孟祥瑞，高召寧

（安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽淮南 232001）

基于目前大傾角煤層開采研究成果和工程實(shí)踐，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立相應(yīng)的分析模型，模擬了煤層開采過程中的頂板垮落和圍巖應(yīng)力分布特征，從工作面傾向方向和工作面長度重點(diǎn)分析了工作面上下端頭的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及變形特點(diǎn)，采動影響范圍，從而得出了大傾角工作面力學(xué)特性。

大傾角煤層;數(shù)值模擬;圍巖應(yīng)力;礦壓規(guī)律

我國大傾角和急傾斜煤層占全國煤炭儲量的15%～20%，其年產(chǎn)量占全國煤炭總產(chǎn)量的10%左右。由于傾角大，設(shè)備穩(wěn)定性差，再加上特殊的礦壓顯現(xiàn)，頂板控制復(fù)雜，安全問題難以保證，使開采大傾角煤層非常困難。研究與實(shí)踐表明［1－5］，大傾角煤層開采所造成的圍巖變形破壞與一般條件下煤層不同，由于缺乏對覆 （圍）巖內(nèi)結(jié)構(gòu)形成過程及其施載特征、結(jié)構(gòu)空間變異特征等基本科學(xué)問題的系統(tǒng)研究，造成了開采方法選擇失誤、工作面災(zāi)害事故頻發(fā)。因此，分析工作面傾向礦山壓力分布規(guī)律及確定合理的工作面長度對大傾角煤層開采有重要意義。

1 采區(qū)地質(zhì)及開采情況

某礦3232（3）工作面位于2采區(qū)二階段，東起李Ⅳ線東82m。地面標(biāo)高－19.0m，采區(qū)上限－430.3～－440.0m，下限－519.9～－521.7m。工作面走向長849～1114m，平均849m，傾斜長100～148m，平均為124m。開采煤層為C13煤，頂部以塊狀為主，性脆;中下部以片、粒狀為主。煤層平均傾角為45°，煤層厚度為3.0～7.5m，平均為5.2m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，可采指數(shù)為1，變異系數(shù)27%，屬結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)育較穩(wěn)定的厚煤層。煤層直接頂為深灰色的砂質(zhì)黏土巖，較致密，性較硬，厚8.3m;基本頂為灰白色中細(xì)粒砂巖，厚層狀，性堅(jiān)硬，厚度3.6m;直接底為灰白色黏土巖，間夾C12煤層，呈塊狀，性較軟，厚度為3.4m;而老底為灰白色細(xì)砂巖，中厚層狀，性硬，厚度2.2m。

2 數(shù)值模型的建立及分析

2.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

數(shù)值計(jì)算模型以實(shí)際地質(zhì)及開采條件為原形，在盡量減小邊界影響的前提下，煤層傾角為45°，沿工作面推進(jìn)方向模型總長240m，其中在兩側(cè)各預(yù)留40m邊界，以減少邊界效應(yīng)的影響，每4m劃分一個(gè)網(wǎng)格，以增加模擬的準(zhǔn)確性;工作面傾向長度124m。從傾角在垂直方向上模型的高度為236m，于垂直方向上總共模擬了14種地層，在C13煤模擬頂?shù)装宓膸r層能比較真實(shí)地反映賦存情況。在模型上部采用施加豎直向下的應(yīng)力來代替剩余的上覆巖層。前后和左右邊界取u=0，v≠0，下部邊界取u=v=0;采用Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，并且均不考慮塑性流動;采空區(qū)冒落矸石是一種松散介質(zhì)，對頂板支撐的力學(xué)作用可以近似看作彈性支撐體;模型劃分為81900個(gè)單元，87720個(gè)節(jié)點(diǎn);工作面推進(jìn)速度以每8m為一步向前推進(jìn)，每次推進(jìn)的結(jié)果計(jì)算穩(wěn)定后，再開挖下一步進(jìn)行計(jì)算至穩(wěn)定態(tài)，逐步推進(jìn)至指定位置。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 傾向方向圍巖變化特征

由于煤層傾角大，采空區(qū)上覆巖層的冒落矸石不能在原地駐足，很可能沿著底板滑移，充填采空區(qū)，從而改變上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律，造成沿工作面傾向方向上的變形破壞特征復(fù)雜化。本次模擬沿工作面傾向方向下部、中下部、中部、中上部、上部分別截取了5個(gè)剖面，試分析傾向圍巖變化特征。

其圖1～圖3顯示了沿工作面傾向方向下、中、上部垂直應(yīng)力分布云圖。由圖可知，從工作面底部依次往上:煤壁前方支承壓力依次為11.89MPa，10.0MPa，7.15MPa;頂板最大垂直應(yīng)力依次為8.0MPa，4.0MPa，3.0MPa;底板最大垂直應(yīng)力依次為2.0MPa，2.0MPa，3.0MPa。從而說明沿工作面傾斜方向呈現(xiàn)非對稱力學(xué)特征，工作面頂板傾斜，上部巖層應(yīng)力釋放較其下部明顯，其影響明顯的范圍沿著頂板向下呈逐漸減少趨勢;底板與頂板應(yīng)力分布特征相反。

圖4～圖6是工作面傾向方向上的垂直位移分布云圖。由圖可知，在工作面推進(jìn)過程中，上覆巖層在法向載荷的作用下產(chǎn)生撓曲變形，鑒于煤層傾角的影響，于工作面傾斜方向的下部區(qū)域，巖體結(jié)構(gòu)形成層位比較低，通常情況下易形成傾向堆砌結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)不易發(fā)生一般性失穩(wěn)，周期來壓不明顯或強(qiáng)度較小，沿傾斜方向整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)下部支承區(qū)域一旦出現(xiàn)破壞，則會導(dǎo)致工作面部分區(qū)域或整個(gè)工作面區(qū)域出現(xiàn)推垮性災(zāi)變;在工作面中部區(qū)域，巖體結(jié)構(gòu)形成層位高于下部區(qū)域，低于上部區(qū)域，構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)的巖塊數(shù)量多、躍層區(qū)間多，結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)極易發(fā)生，除周期來壓明顯外，其他強(qiáng)度不等的來壓活動也比較活躍，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)則可能導(dǎo)致工作面發(fā)生災(zāi)變;在工作面上部區(qū)域，巖體結(jié)構(gòu)形成層位最高、可供運(yùn)動 （移）空間最大，“R－SF”構(gòu)成元素缺失的概率最大，極易發(fā)生強(qiáng)度損失，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的塌落型結(jié)構(gòu)失穩(wěn)［3－4］。

2.2.2 不同工作面長度下的圍巖變化特征

圖1 下部垂直應(yīng)力分布云圖

圖2 中部垂直應(yīng)力分布云圖

圖3 上部垂直應(yīng)力分布云圖

圖4 下部垂直位移分布云圖

由圖7～圖9可以看出，采場傾向最大垂直應(yīng)力分布與上覆巖層的冒落移動規(guī)律有較好的對應(yīng)性，采場頂板及底板為卸載區(qū)，兩側(cè)煤柱為加載區(qū)，頂?shù)装宓膽?yīng)力降低區(qū)同時(shí)也是巖體遭到破壞、強(qiáng)度有所降低區(qū)域，兩側(cè)煤柱的應(yīng)力升高區(qū)同時(shí)也是巖體沒有破壞、能承受較大載荷的區(qū)域。當(dāng)采長為100m時(shí)，采場上部頂板應(yīng)力釋放高度較小，應(yīng)力釋放區(qū)域的形狀及位置與采場冒落帶基本一致;底板的應(yīng)力釋放偏向于采場的下部，對高層位和深部底板巖層的影響較小;當(dāng)采長增加到124m時(shí)，采場上部頂板應(yīng)力釋放高度增大，且集中于向中上部發(fā)展;底板的應(yīng)力釋放偏向于采場的下部，對高層位和深部底板巖層的影響范圍加大;進(jìn)一步增加工作面采長到140m，采場上部頂板應(yīng)力釋放高度及對底板巖層的影響范圍增大。

圖5 中部垂直位移分布云圖

圖6 上部垂直位移分布云圖

圖7 100m時(shí)傾向垂直應(yīng)力

圖8 124m時(shí)傾向垂直應(yīng)力

圖9 140m時(shí)傾向垂直應(yīng)力

采空區(qū)底板均為應(yīng)力降低區(qū)，兩側(cè)煤柱均形成支承壓力升高區(qū)。對同一采長來說，上側(cè)煤柱的應(yīng)力峰值和應(yīng)力集中系數(shù)均超過下側(cè)煤柱。支承壓力分布與采場圍巖的強(qiáng)度分布及上覆巖層結(jié)構(gòu)有關(guān)，采場上側(cè)及下側(cè)煤柱的初始強(qiáng)度相同，而上側(cè)煤柱初始垂直應(yīng)力遠(yuǎn)小于下側(cè)煤柱。采長的變化對側(cè)向支承壓力峰值大小及集中系數(shù)有較大影響，采長在124m以下，支承壓力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)隨采長增加增幅較大，而采長超過124m后，支承壓力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)隨采長增加增幅較小。

3 結(jié)論

（1）采場中上部下沉量最大，而下部則明顯小于上部。隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層在最大撓曲處形成主要裂隙并發(fā)展到中部，形成拉斷破壞。

（2）大傾角煤層開采沿傾斜方向呈現(xiàn)非對稱力學(xué)特征，工作面頂板傾斜，上部巖層應(yīng)力釋放較其下部明顯，其影響明顯的范圍沿著頂板向下呈逐漸減少趨勢;底板與頂板應(yīng)力分布特征相反。同時(shí)由于下部充填，使工作面上部垮落破壞區(qū)域逐漸向工作面上部轉(zhuǎn)移并延伸至上區(qū)段采空區(qū)，導(dǎo)致工作面下、中下、中、中上、上5個(gè)區(qū)域受力不均衡。

（3）采長在124m以下，支承壓力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)隨采長增加增幅較大，而采長超過124m后，支承壓力峰值及應(yīng)力集中系數(shù)隨采長增加增幅較小。

［1］魏宏軒.大傾角綜采面礦壓顯現(xiàn)特征與分析［J］.礦山壓力與頂板管理，1990（2）.

［2］伍永平，員東風(fēng)，張淼豐.大傾角煤層綜采基本問題研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000（5）:465－468.

［3］伍永平.大傾角煤層開采“R－S－F”系統(tǒng)動力學(xué)控制基礎(chǔ)研究［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［4］伍永平，解盤石，任世廣，等.大傾角煤層群開采巖移規(guī)律數(shù)值模擬及復(fù)雜性分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24（4）:392－395.

［5］尹光志，鮮學(xué)福，代高飛，等.大傾角煤層開采巖移基本規(guī)律的研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（4）:67－71.

Numerical Simulation of Underground Pressure in Mining Large-Inclined Coal-seam

GUO Jing-zhong，MENG Xiang-rui，GAO Zhao-ning

（Energy＆Safety School，Anhui University of Science＆Technology，Huainan 232001，China）

Based on research fruit and engineering practice ofmining large inclined angle coal-seam，this paper simulated characteristic of roof caving and stress distribution of surrounding rock in coalmining by FLAC3D.Stress distribution rule and deformation characteristic of upper and lower face-end，mining influence range weremainly analyzed from tendency and strike direction.Mechanical characteristic ofmining coal-seam with large inclined angle was obtained.

coal seam with large inclined angle;numerical simulation;stress of surrounding rock;underground pressure rule

TD32

A

1006-6225（2011）04-0097-04

2010－12－21

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目 （200803610001）;高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目新教師類（20093415120001）;安徽省優(yōu)秀青年科技基金資助項(xiàng)目 （10040606Y31）;安徽高校省級自然科學(xué)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目 （KJ2009A66）

郭敬中 （1983－），男，河南濮陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。

［責(zé)任編輯:鄒正立］