煤礦分層開采煤柱護巷方式數(shù)值模擬研究

齊 全

(汾西礦業(yè)集團 中興煤業(yè)，山西 交城 030500)

1 工程地質概況

某礦某采區(qū)走向長變化較大，為500 ～800 m，傾斜長520 m.9#煤有9上和9下兩層煤，中間有0.00 ～2.00 m 夾石，厚度變化在0.60 ～2.60 m，夾石平均厚度為1.5 m，9上煤層平均厚度為1.5 m，9下煤層平均厚度為1.25 m.共分4 個區(qū)段，分別是:東一區(qū)段、東二區(qū)段、東三區(qū)段、東四區(qū)段，其中首采面為東一面即東一區(qū)段。9#煤上煤層采區(qū)平面圖見圖1.煤層傾角變化在15° ～26°，平均傾角17°.9#煤煤層為半亮－半暗型，條帶狀結構，階梯狀斷口，局部為粒狀結構，煤質較好，硬度較大，屬中硬煤。

圖1 9#煤上煤層采區(qū)平面圖

2 數(shù)值模型的建立

某礦9#煤上層煤采用走向長壁開采，根據(jù)地質條件和煤巖條件等建立Ⅰ－ Ⅰ'剖面模型，見圖2.Ⅰ－Ⅰ'剖面模型為長560 m×寬200 m. 根據(jù)工作面頂?shù)装宓膰鷰r力學特征，模型高度為200 m，上邊界設定為+850 m，下邊界設定為為+650 m. 在模擬過程中，取上層未開采時和開采后(見圖2)兩種情況進行模擬，煤柱取10 m 和4 m(無煤柱)兩種情況。

圖2 Ⅰ－Ⅰ'剖面模型圖(9#煤上層煤已采完)

為了更好地呈現(xiàn)上層煤層開采對下層巷道應力分布的影響，建立以下3 種局部模型進行計算:

1)上下層都留10 m 區(qū)段煤柱模型(見圖3a).

2)上層留10 m 區(qū)段煤柱，下層留4 m 區(qū)段煤柱模型(圖3b).

3)上下層都留4 m 區(qū)段煤柱(無煤柱)模型(圖3c).

局部模型取東1 工作面和東2 工作面之間的區(qū)段煤柱為中心，計算模擬煤柱下方巷道的應力變化，為減小模型邊界效應的影響，模型寬度取100 m，高度取60 m.

在模擬預留設4 m 煤柱開采時，煤柱會發(fā)生破壞，因此，在模擬時要對4 m 煤柱進行弱化處理，使其能達到破壞效果。

圖3 上下層不同煤柱寬度模型圖

模型中各煤巖層的物理力學參數(shù)以現(xiàn)場地質調查和相關研究提供的煤巖體力學試驗結果給定，如果沒有實驗數(shù)據(jù)，則根據(jù)經(jīng)驗和類比方法按統(tǒng)計數(shù)據(jù)的平均值來考慮，煤巖物理力學參數(shù)見表1.

表1 模型各巖層的力學參數(shù)表

計算模型邊界條件確定如下:

1)模型左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移為零。2)模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移均為零。3)模型頂部為自由邊界。

3 計算結果分析

3.1 上層煤開采后煤柱對下層煤的應力分布影響

1)煤柱取10 m 時，9#煤上煤層采空后的垂直應力分布見圖4. 由于9上煤層煤柱兩側為采空區(qū)，在煤柱兩側附近形成應力集中，煤柱上的垂直應力呈馬鞍型分布，煤柱兩側均有一定寬度的塑性破壞區(qū)。煤柱下方一定范圍內的9下煤層應力增大，由12.5 ～13.5 MPa 增大到15 ～27.5 MPa，影響范圍約16 m，采空區(qū)下方的9下煤層應力減小，變?yōu)?2.5 MPa以下。

2)煤柱取4 m 時，由于9上煤層煤柱兩側為采空區(qū)，在區(qū)段煤柱兩側形成應力集中，煤柱上垂直應力呈拱型分布，煤柱兩側塑性區(qū)破壞區(qū)連通，煤柱失去核區(qū)，煤柱中心應力大于煤柱極限強度，煤柱失去穩(wěn)定，發(fā)生破壞，應力集中程度減小。煤柱下方一定范圍內的9下煤層應力增大，由原來的12.5 ～13.5 MPa 增大到12.5 ～20 MPa，影響范圍約6.5 m，采空區(qū)下方的9下煤層應力減小，變?yōu)?2.5 MPa 以下。

圖4 10 m 煤柱時9#煤上煤層采空垂直應力分布圖

3.2 上層煤開采后對下層巷道的應力分布影響

1)當上、下層都留10 m 煤柱時，上層煤采空后，煤柱下方巷道應力分布情況見圖5a).上層煤柱兩側采空，在煤柱兩側形成應力集中區(qū)，煤柱下方布置的巷道受到煤柱影響，巷道兩幫應力較高，達到15 ～20 MPa，巷道頂、底板應力為12.5 ～17.5 MPa. 當模型下層東1 工作面采空時，煤柱下方巷道應力分布情況見圖5b).受采空區(qū)的影響，上層煤柱兩側應力峰值有所增大，煤柱下方巷道兩幫應力也略微增大，變?yōu)?5 ～22.5 MPa，增大了2.5 MPa，巷道頂、底板應力無明顯變化。

2)當上層留10 m 煤柱，而下層留4 m 煤柱，上層煤柱兩側采空，本應在煤柱兩側形成應力集中區(qū)，但由于下層4 m 煤柱發(fā)生破壞，使上層10 m 煤柱右側的應力集中程度降低，相應煤柱下方布置的巷道也受到影響，巷道左側應力較高，達到15 ～25 MPa，而巷道右側和頂、底板應力只有12.5 ～17.5 MPa.當模型下層東1 工作面采空時，受采空區(qū)的影響，上層煤柱左側應力峰值有所增大，煤柱下方巷道左側應力明顯增大，變?yōu)?5 ～30 MPa，增大了5 MPa，巷道右側和頂、底板應力無明顯變化。

4 結 論

圖5 上、下層都留10 m 煤柱模型應力分布圖

1)9#煤上煤層留設10 m 煤柱時，煤柱兩側應力集中程度較高，對下層煤的應力變化影響較大，而且影響范圍也比較大;而上煤層留設4 m 煤柱(無煤柱)時，由計算結果可知煤柱失去穩(wěn)定性，發(fā)生破壞，煤柱應力集中程度降低，對下層煤的應力變化影響變小，影響范圍也比較小。

2)9#煤上、下煤層都留10 m 時，煤柱下方巷道兩側應力較大，受采動影響變化也較大，頂、底板應力略低，受采動影響變化小;9#煤上煤層留10 m 煤柱，而下煤層留4 m(無煤柱)時，煤柱下方巷道左應力較大，而且受采動影響變化較大，巷道右側和頂、底板應力略低，受采動影響變化小;9#煤上、下煤層都留4 m時，由于煤柱發(fā)生破壞，煤柱下方巷道頂板和左側應力較大，頂、底板應力略低，巷道左側受采動影響變化較大，而頂、底板和右側受采動影響變化小。

3)通過對比分析，留設4 m 煤柱(無煤柱)時，由于煤柱發(fā)生破壞，應力集中程度降低，影響范圍較小，受采動影響變化也較小，因此，選用上、下煤層都留設4 m 煤柱(無煤柱)進行開采。

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