近距离煤层开采矿山压力规律数值模拟研究＊

丛 利石建军刘洪涛

(1.神东公司榆家梁煤矿,陕西省榆林市,719316; 2.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,065201; 3.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

近距离煤层开采矿山压力规律数值模拟研究＊

丛 利1石建军2刘洪涛3

(1.神东公司榆家梁煤矿,陕西省榆林市,719316; 2.华北科技学院安全工程学院,河北省三河市,065201; 3.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

神东矿区榆家梁煤矿4-3煤层和4-2煤层为近距离煤层开采,通过建立FLAC数值模型,研究了4-3煤层工作面受4-2煤层工作面采空区的影响及4-3煤层工作面开采过程中的矿山压力显现规律,分析得出了4-3煤层工作面矿山压力受影响的范围及4-3煤层工作面垂直应力变化规律。

近距离煤层 煤炭开采 矿山压力显现 垂直应力 开采影响 榆家梁煤矿

AbstractYujialiang Coal Mine in Shendong coal mining area carry on coal mining in#4-3coal seam and#4-2coal seam,which are contiguous coal seams.On the basis of the establishment of a FLAC numerical model,a study is carried out on the impact of the face gob area in# 4-2coal seam on the coal face in#4-3coal seam and the pattern of strata behaviours in the face in #4-3coal seam.Out of the analysis,the extent of influence of the rock pressure on the face in 4-3coal seam and the pattern of vertical stress changes in this coal seam are induced.

Key wordscontiguous coal seam,coal mining,strata behaviours,vertical stress,impact of mining,Yujialiang Coal Mine

1 地质概况

榆家梁矿井运输大巷南侧二盘区赋存 4-2、4-3、5-23个煤层,4-2煤层的 44205、44206、44207已经开采,其下部的4-3煤层为中厚煤层,平均厚度为1.7 m,首采44305工作面,其东部布置44306、44307等工作面,4-2、4-3煤层工作面布置见图1。其中4-2煤层中的44205工作面长300 m,44206工作面长360 m,44207工作面长360 m;4-3煤层中的44305工作面长300 m,44306工作面长300 m,44307工作面长300 m。

4-3煤层为较稳定局部可采煤层,位于延安组地层第三段顶部,因受古河床冲刷,在井田西北部有不可采区,井田东部有部分剥蚀冲刷区,中部杨伙盘沟有小块火烧区,其余部分地区均为可采区。可采区内煤层结构简单,无夹矸,煤层厚度变化小,一般在1.3m左右。煤层及顶底板柱状图见图2。

2 模型的建立

4-2煤层和4-3煤层为近距离煤层开采,根据规划的两层煤工作面布置,4-3煤层工作面推进长度均大于4-2煤层工作面,平均工作面长为300 m, 4-2煤层工作面长为300～400 m,因此4-3煤层在推采过程中不可避免地要进出4-2煤层工作面采空区后方实体煤,当其全部推采到4-2煤采空区下方后,将承受上方采空区及区段煤柱应力集中的传递作用。44305、44306、44307工作面都存在这样的问题,为便于研究,取44305工作面开采作为模型,模拟分析近距离煤层开采时的应力变化规律。

数值模拟采用FLAC数值软件进行分析研究,考虑到所研究问题,模型尺寸范围为700 m × 70 m。模型网格数72900个,节点数80080个,模型如图3所示。

图3 巷道布置的数值模拟模型

3 矿山压力显现规律研究

主要模拟研究内容为:

(1)44305工作面开采至44205切眼过程中实体煤的应力变化规律;

(2)44305工作面开采过44205切眼后,在采空区下方实体煤应力变化规律;

(3)44305工作面开采至44206切眼过程中实体煤受双向采空区采动影响时,实体煤应力变化规律;

(4)44305工作面开采过44206切眼后,在采空区下方实体煤应力变化规律。

3.1 44305工作面推进至44205切眼过程中煤体应力变化

根据 FLAC模拟可以分析44305工作面推进到44205切眼过程中工作面煤壁垂直应力变化, 4-2煤层工作面和4-3煤层工作面煤壁垂直应力变化模拟统计结果如图4所示。

图4 44305工作面推至44205工作面切眼过程中煤体垂直应力变化

由图4分析表明,随着44305工作面向44205切眼接近,44305工作面垂直应力逐渐增大,应力范围为8.0～20 MPa;当44305工作面距44205工度较快,4-3煤层开采已受到4-2煤层工作面切眼采空区后方应力集中的叠加作用,说明4-2煤层采空区后方的剧烈影响范围为40 m;4-3煤层开采时,其相应的矿压显现也将越来越剧烈;邻近巷道的工作面煤壁的应力低于远离巷道的工作面煤壁的应力。

3.2 44305工作面推过44205切眼时煤体应力变化

当44305工作面推过44205切眼时工作面煤壁垂直应力变化情况模拟统计结果如图5所示。由图5分析表明,随着44305工作面远离44205切眼, 4-3、4-2煤层的垂直应力逐渐增大,4-3煤层开采时,受4-2煤层应力集中叠加作用,4-3煤层垂直应力增大。

图5 44305工作面推过44205工作面切眼后煤体垂直应力变化

3.3 44305工作面推至44206切眼过程中煤体应力变化

44305工作面推进到44206切眼过程中,工作面煤壁垂直应力变化情况模拟统计结果如图6所示,分析表明,随着44305工作面距44206切眼接近,44305工作面应力逐渐增加,应力范围为17～28 MPa;当44305工作面距44206切眼40 m时, 44305工作面应力增加速度较快,说明4-2煤层采空区后方的剧烈影响范围为40 m,4-3煤层开采时,其相应的矿压显现也将越来越剧烈。

图6 44305工作面推进至44206工作面切眼过程中煤体垂直应力变化

3.4 44305工作面推过44206切眼时煤体应力变化置处垂直应力变化情况模拟统计结果如图7所示。由图7分析表明,随着44305工作面远离44206切眼,4-2煤层区段煤柱应力逐渐加大,4-3煤层处于高集中应力作用,应力值稳定在30 MPa,其矿压显现将是稳定的。

图7 44305工作面推过44206工作面切眼后煤体垂直应力变化

4 结论

根据对4-3煤层开采过程中工作面垂直应力变化规律的分析,结论如下:

(1)4-3煤层44305工作面向4-2煤层44205、44206工作面切眼接近,4-3、4-2工作面的垂直应力逐渐增大,4-2煤层44205、44206工作面采空区后方的剧烈影响范围为40 m。相对应地,4-3煤层开采时,其矿压显现也将越来越剧烈。

(2)随着44305工作面远离4-2煤层工作面切眼,4-3、4-2煤层工作面的垂直应力逐渐增大。

(3)实际开采4-3煤层工作面时,可根据矿山压力显现规律采取相应的控制措施。

[1]柏建彪,侯朝炯,黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究 [J].岩石力学与工程学报,2004(20)

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[3]万志军,卫建清等.房柱式开采巷道围岩控制数值模拟研究 [J].岩石力学与工程学报,2002(6)

[4]杜善周,丛利.榆家梁煤矿合理工作面长度及煤柱宽度研究 [J].陕西煤炭,2008(7)

A numerical simulation research on rock pressure pattern during coal mining in contiguous coal seams

Cong Li1,Shi Jianjun2,Liu Hongtao3
(1.Yujialiang Coal Mine,Shendong Coal Company,Yulin,Shaanxi province 719316,China; 2.School of Safety Engineering,North China Institute of Science and Technology, Sanhe,Hebei province 065201,China 3.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology Beijing Campus,Haidian District,Beijing 100083,China)

TD323

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丛利 (1975-),男,黑龙江人,硕士研究生,神东公司榆家梁煤矿生产副总工程师。

(责任编辑 张毅玲)

中国矿业大学 (北京)青年基金项目