大采高綜放開采頂煤運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

祝凌甫,閆少宏

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;2.天地科技股份有限公司,北京 100013)

大采高綜放開采頂煤運移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

祝凌甫1,閆少宏2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;2.天地科技股份有限公司,北京 100013)

采用 FALC3D軟件模擬研究了塔山煤礦 8105工作面在不同采高、不同支護強度下頂煤水平、垂直位移與距煤壁距離間的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明采高加大頂煤始動點前移、位移量增加,有利于頂煤的破碎;加大支架支護強度對下位頂煤位移量影響較大,有利于下位頂煤的破碎。

大采高綜放開采;頂煤位移;采高;支護強度

大采高綜放開采是隨著我國綜放開采技術(shù)的深入發(fā)展與采煤機裝備高可靠性、高強度發(fā)展而結(jié)合起來的針對特厚煤層的一種新型高產(chǎn)高效綜放開采方法。目前已在我國特厚煤層中實踐應(yīng)用,其頂煤的位移與頂板的活動規(guī)律的研究仍處于探索階段[1]。本文基于“十一五”國家科技支撐計劃項目,以大同塔山煤礦為工程背景,運用 FALC3D軟件對不同采高、不同支護強度 2個因素對頂煤運移規(guī)律進行了研究,得出了一些認識。

1 模型的建立與節(jié)點位移監(jiān)測

1.1 工作面地質(zhì)條件

計算模型以大同煤礦集團大唐塔山煤礦 8105綜放工作面地質(zhì)條件為計算基礎(chǔ)。該礦地質(zhì)條件為：埋深 347.1～448.3m,平均煤厚 14.81m,設(shè)計采高 4.5m,放煤高度 10.31m。

1.2 計算模型的建立

根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南定理得出,采動影響上覆巖層范圍大約為采厚的 3～5倍,因此本模型建立了 11層,總厚度為 76.71m,走向長度為200m,上覆巖層中沒有建立的巖層用等效載荷代替。各層的厚度根據(jù) 8105工作面綜合鉆孔柱狀圖確定。

1.3 計算模型中巖層系數(shù)的確定

模型建立后不斷調(diào)整煤巖的物理力學(xué)參數(shù),使模型開挖后初次來壓步距以及周期來壓步距與現(xiàn)場實測吻合,通過類比分析工作面實測礦壓數(shù)據(jù)從而確定煤巖的物理力學(xué)參數(shù)[2],計算參數(shù)如表 1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.4 節(jié)點位移的監(jiān)測

模型建立好以后,為了使監(jiān)測的頂煤位移量更加真實,在模型推進 50m (如圖 1)、頂煤充分垮落后開始進行位移量的監(jiān)測。選取距煤壁 30m的煤層作為研究對象,監(jiān)測其 6m煤層 (下位頂煤)、10m煤層 (中位頂煤)、14m煤層 (上位頂煤)單元體節(jié)點的水平、垂直位移量。在開始監(jiān)測時工作面每推進 1m保存 1個模型記錄 1次位移量,將 2次推進的位移量差值作為工作面每米推進頂煤的位移量。具體監(jiān)測方案見表 2。

圖1 工作面推進 50m后頂煤破壞情況

表2 頂煤位移監(jiān)測方案

2 模擬結(jié)果分析

2.1 相同支護強度不同采高頂煤位移分析

不同的割煤高度對頂煤的破壞情況以及位移量有重要影響,本論文模擬了支護強度 1.4MPa時,3.5m,4m,4.5m和 5m,4種不同采高情況下相同位置的頂煤位移分布。圖 2～圖 5分別是采高3.5m,4m,4.5m及 5m時頂煤的水平與垂直位移量。從圖中可以看出相同采高時,各層位頂煤始動點基本相同,頂煤首先產(chǎn)生的是水平位移。隨著工作面往前推進,頂煤的水平位移、垂直位移均發(fā)生增加,水平位移增加量較為緩和,垂直位移在距煤壁 5m時普遍出現(xiàn)激增加的現(xiàn)象,從模擬的應(yīng)力云圖中可以看出工作面前方 5m左右正好是支承壓力峰值區(qū)域,頂煤在此區(qū)域較為破碎。從總體上看,水平位移之和小于垂直位移之和,水平位移之和約占垂直位移之和的 75%左右。以往現(xiàn)場實測的頂煤位移數(shù)據(jù)一般來說,上位頂煤位移量大于中位及下位頂煤位移量[3],本論文中模擬的大采高綜放工作面,模擬結(jié)果上位頂煤位移量反而最小,說明頂煤過厚導(dǎo)致上位頂煤破碎不夠充分;下位頂煤雖然破碎最為充分,但由于可活動空間小所以位移量也不大;中位頂煤位移量最大,說明中位頂煤活動空間較大且在支架反復(fù)支撐與工作面前方支撐壓力共同作用下破碎較為充分。

圖2 3.5m采高水平與垂直位移量

圖3 4m采高水平與垂直位移量

圖4 4.5m采高水平與垂直位移量

圖5 5m采高水平與垂直位移量

為了得出不同采高下相同層位頂煤的運移規(guī)律,將不同采高相同層位的頂煤水平與垂直位移量繪成圖像,如圖 6～圖 8。從圖中可以看出隨著采高的增加,頂煤的始動點提前,其中采高 4.5m,5m時始動點約距煤壁 20m,采高 3.5m,4m時始動點距煤壁約 15m。加大采高后相同層位的頂煤水平位移量增加較為明顯,而垂直位移量基本相同,因此采高的增加對頂煤水平位移影響較為顯著。

圖6 不同采高下位頂煤水平與垂直位移量

圖7 不同采高中位頂煤水平與垂直位移量

圖8 不同采高上位頂煤水平與垂直位移量

2.2 相同采高不同支護強度頂煤位移分析

支架作為頂煤的直接承載機構(gòu),其支護強度的大小對頂煤位移量大小、頂煤的破碎程度有著重要的影響。為了研究不同支護強度對頂煤位移量大小的影響情況,作者模擬了 5m采高時在 0.8MPa,1.0MPa,1.2MPa及 1.4MPa時 4種支護強度下,各層位頂煤的位移分布。

模擬結(jié)果如圖 9～圖 11,從圖中可以看出,隨著支護強度的增大,下位頂煤位移量有所增加,而中位與上位頂煤位移量變化不明顯,說明支架的支撐力對 1～2m范圍內(nèi)的頂煤作用較為明顯,對中上位頂煤作用不明顯。

圖9 不同支護強度下位頂煤水平與垂直位移量

圖10 不同支護強度中位頂煤水平與垂直位移量

圖11 不同支護強度上位頂煤水平與垂直位移量

3 結(jié)論

通過模擬得出以下結(jié)論：

(1)各層位頂煤從始動點至放煤口,水平位移量與垂直位移量不斷增大,垂直位移量之和大于水平位移量。

(2)加大采高頂煤始動點前移,水平位移量增加,有利于頂煤的破碎,提高工作面采出率。

(3)大采高綜放工作面由于頂煤厚,導(dǎo)致上位頂煤位移量小于下位頂煤位移量、小于中位頂煤位移量。

(4)提高支架的支護強度下位頂煤位移量有所增加,中位與上位頂煤位移量變化不明顯,因此,提高支護強度有利于下位頂煤的破碎。

[1]毛德兵 .大采高綜放開采頂煤冒放性及煤壁穩(wěn)定性研究[D].煤炭科學(xué)研究總院,2010.

[2]高明中 .FLAC在放頂煤開采頂煤變形與移動特征研究中的應(yīng)用 [J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,2003,18(2)：9-12.

[3]閆少宏,富 強 .綜放開采頂煤頂板活動規(guī)律的研究與應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[責(zé)任編輯;王興庫 ]

Numerical Simulation of Top-coal Movement Rule in Fully-mechanized Caving Mining with Large Mining Height

ZHU Ling-fu1,YAN Shao-hong2
(1.Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China;2.Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

FLAC3Dwas applied to researching horizontal and vertical displacement of top-coal varied with distance to coal wall under different mining height and different supporting density in 8105 mining face of Tashan Colliery.Results showed that with mining height increased first movement place of top-coal advanced and its displacement added.Increasing supporting density would add displacement of lower top-coal,which was good for crack of top-coal.

fully mechanized caving mining with large mining height;displacement of top-coal;mining height;supporting density

TD823.4 9

A

1006-6225(2011)01-0011-03

2010-11-18

“十一五”國家科技支撐計劃項目 “特厚煤層大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備研發(fā)”：大采高綜放開采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究(2008BAB36B11);大采高綜放開采工藝技術(shù)研究 (2008BAB36B01)

祝凌甫 (1984-),男,四川樂山人,在讀碩士,主要從事礦山壓力與巖層控制研究。