查干淖尔一号井煤层冒放性规律研究

马亮 李少华 毛永江 史卫平

(1.中煤矿山建设集团第三十工程处,安徽宿州 234000;2.山东农业工程学院,国土资源与测绘工程系,山东济南 250100)

查干淖尔一号井煤层冒放性规律研究

马亮1李少华1毛永江1史卫平2

(1.中煤矿山建设集团第三十工程处,安徽宿州 234000;2.山东农业工程学院,国土资源与测绘工程系,山东济南 250100)

本文采用FLAC3D数值计算软件,对查干淖尔一号井2号煤层的顶煤冒放性进行评价,为后续回采工艺的确定以及设备的选型提供理论依据。综合顶煤下沉量、塑性区分布规律,获得2号煤层在生产过程中顶煤易于破碎冒落,有利于顶煤的顺利放出,顶煤冒放性较好。

顶煤 冒放性 数值模拟 塑性区

内蒙古自治区东部地区煤炭资源丰富,分布地域广阔。查干淖尔一号井位于内蒙古自治区锡林郭勒盟阿巴嘎旗南部查干淖尔镇境内。矿井资源丰富,用户稳定,矿井建设规模定为8．0Mt/a,为满足生产能力的要求,矿井决定采用综采放顶煤开采工艺。综放开采是在厚煤层的下部布置工作面,利用地压破煤、自重落煤以将顶煤放出的一种厚煤层开采方法。其成功实施的前提是顶煤冒放性好,可以及时垮落和破碎。因此,顶煤及时垮落和充分破碎是综放开采得以实现的前提和基础。在综放开采中,顶煤破坏的主要动力来自矿山压力,顶煤能否及时垮落和充分破碎主要取决于煤体的整体强度和矿山压力的大小。当矿山压力作用不能使顶煤及时垮落和充分破碎时,大量顶煤将难以回收,造成资源浪费。只有良好的顶煤冒放性才能确保放顶煤采煤工艺的顺利实施,因此在采用放顶煤开采工艺时,首先要对顶煤冒放性进行评价。

图1 2号煤层综放采场模型

图2 3.0m割煤高度时位移演化规律

表1 各岩层所取力学参数

本文在已有地质报告的基础上,采用数值模拟方法,对2号煤层的顶煤冒放性进行评价,为后续回采工艺的确定以及设备的选型提供理论依据。本文主要研究放顶煤开采顶煤破坏运动规律,在采场模拟方面FLAC3D具有其独特优势,因此本文采用FLAC3D软件进行模拟分析。

1 模拟方案的确定和模型的建立

1.1 模拟方案的确定

为了全面、系统地反映顶煤运动规律,结合查干淖尔一号井2号煤层地质条件,建立三维模型对其进行模拟分析。通过建立工作面采场模型,模拟分析煤层采出后顶煤应力演化规律、顶煤下沉规律、塑性区扩展规律等内容,全面掌握综放采场顶煤运动规律,对顶煤冒放性做出评价。结合现场地质条件,分别选取割煤高度3．0m、4．0m、5．0m建立模型,模拟在不同采高条件下工作面推进30m、40m、50m时顶煤运动规律,借以分析不同采高条件下顶煤冒放性。

图3 煤层顶板位移演化曲线

图4 3.0m割煤高度时塑性区分布规律

图5 4.0m割煤高度时位移演化规律

图6 煤层顶板位移演化曲线

图7 4.0m割煤高度时塑性区分布规律

图8 5.0m割煤高度时位移演化规律

图9 煤层顶板位移演化曲线

图10 5.0m割煤高度时塑性区演化规律

1.2 模型的建立

2号煤层埋藏深度为214m,根据钻孔资料建立模型,在建立模型过程中,适当简化地质条件,工作面走向方向取90m,工作面倾向方向取80m,模型高度取5ss4m,其上覆岩层重量采用施加压力的方式进行转化。根据现场地质调查和相关研究提供的岩石力学试验确定各岩层采用的岩体力学参数,力学参数的选取见表1。

模型侧面限制水平移动,底面限制垂直移动,采场模型如图1所示。模拟过程中沿走向方向分步开挖,每次开挖10m,选取开挖30m、40m、50m计算结果进行分析。

2 顶煤运动规律模拟结果分析

通过模拟计算获得了不同采高条件下工作面推进过程中顶煤运动规律,现将顶煤运动规律模拟结果分析如下。

2.1 3.0m采高时顶煤运动规律分析

2.1.1 位移演化规律分析

工作面推进30m、40m、50m时沿煤层走向和倾向方向顶煤位移演化规律如图2所示,煤层顶板位移演化曲线如图3所示。由图可以看出,工作面上方顶煤及覆岩位移分区性明显。工作面上方存在最大下沉位移区域、次大下沉位移区域,该两区域均随工作面推进距离的增加逐渐向前扩展、向上扩展。采空区底板处存在较大正向位移,即底鼓现象,这与现场生产相一致。在工作面推进30m时,其次大位移区域已扩展至2煤顶板,顶煤在该范围内即已发生离层和冒落。因此,在3．0m割煤高度时顶煤能充分冒落。

图11 煤层顶板位移演化曲线

图12 煤层顶板垂直应力演化曲线

2.1.2 顶煤塑性区扩展规律分析

工作面推进30m、40m、50m时沿煤层走向和倾向方向顶煤塑性区演化规律如图4所示。由图可以看出,煤层采出后顶煤破坏严重。采空区上方顶煤以拉破坏为主,其中存在少量的剪破坏形式,破坏区域随工作面推进逐渐向上、向前扩展。煤壁位置以剪切破坏为主,在生产过程中应采取措施控制顶煤偏帮现象的发生。

2.2 4.0m采高时顶煤运动规律分析

2.2.1 顶煤位移演化规律分析

工作面推进30m、40m、50m时沿煤层走向和倾向方向顶煤位移演化规律如图5所示。煤层顶板位移演化曲线如图6所示。由图可以看出,在采高4．0m条件下位移演化规律与3．0m采高时位移演化规律相似。相同推进距离时,4．0m采高顶煤最大下沉量稍大于3．0m采高顶煤下沉量。采空区上方最大位移区域、次大位移区域均随工作面推进距离的增加逐渐增大,随工作面推进距离的增加逐渐向上扩展。

2.2.2 顶煤塑性区扩展规律分析

工作面推进30m、40m、50m时沿煤层走向和倾向方向顶煤塑性区演化规律如图7所示。由图可以看出,采空区周围岩层均已发生破坏,采空区上方顶煤发生破坏形式以拉破坏为主,煤层底板破坏形式以剪切破坏为主。随工作面向前推进采空区上方拉破坏区域随工作面推进逐渐向上、向前扩展。对比采高3．0m时顶煤塑性区扩展规律,相同推进距离时,随采高增加顶煤塑性区逐渐向上扩展。

2.3 5.0m采高时顶煤运动规律分析

2.3.1 顶煤位移演化规律分析

工作面推进30m、40m、50m时沿煤层走向和倾向方向顶煤位移演化规律如图8所示。煤层顶板位移曲线如图9所示。由图可以看出,在采高5．0m条件下,其位移分布规律与4．0m采高时相似,随工作面推进距离的增加顶板下沉量逐渐增大。相同推进距离时,顶煤最大下沉量稍大于4．0m采高条件下顶煤下沉量,随割煤高度的增加,顶煤下沉量有增大的趋势。

2.3.2 顶煤塑性区扩展规律分析

工作面推进30m、40m、50m时沿煤层走向和倾向方向顶煤塑性区演化规律如图10所示。由图可以看出,随推进距离增加顶煤塑性区逐渐向上、向前扩展。采空区上方顶煤发生拉破坏,拉破坏区域随工作面推进逐渐向上、向前扩展,煤壁位置以剪切破坏为主。在工作面推进50m时,整个顶煤近于整体破坏。

综合3．0m、4．0m、5．0m割煤高度顶煤运动规律分析,获得了随工作面推进顶煤下沉量逐渐增大,垂直主应力数值逐渐增加,最大主应力数值逐渐增加,塑性区逐渐向前扩展。三种采高条件下,顶煤应力释放明显,整个顶煤处于较小应力范围内,采空区上方存在明显拉应力以及无应力区域,随工作面推进该拉应力区域逐渐向上、向前扩展,顶煤塑性破坏较严重,在此条件下有利于顶煤的放出。

3 不同割煤高度顶煤运动规律对比分析

针对不同采高条件下工作面推进过程中顶煤运动规律,现选取在工作面推进50m时顶煤运动规律模拟结果对比分析如下。

3.1 顶煤位移演化规律对比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m时煤层顶板位移变化曲线如图11所示。由图可以看出,顶煤最大下沉量随采高的增加逐渐增加,3．0m割煤高度时顶煤最大下沉量已扩展至顶煤顶板位置,说明在3．0m采高时顶煤即可实现完全垮落。

3.2 顶煤垂直应力分布规律对比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m时煤层顶板位置垂直应力演化曲线如图12所示。由图可以看出,割煤高度3．0m时垂直应力最大值为9．71MPa,割煤高度4．0m时最大值为9．12MPa,割煤高度5．0m时最大值为8．80MPa,可以看出,垂直应力最大值随割煤高度的增加逐渐降低。同时可以看出,在煤层顶板位置垂直应力随采高增加变化不大,其垂直应力随采高增加有少量的减小。

3.3 顶煤塑性区扩展规律对比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m时沿煤层顶煤塑性区演化规律对比可以看出,不同采高时顶煤破坏区域和破坏形式随割煤高度的增加变化不大,在工作面推进50m时采空区上方顶煤发生整体破坏,破坏形式以拉破坏为主。

综合以上分析得出,顶煤最大下沉量随采高的增加逐渐增加,垂直应力数值随采高增加逐渐降低,但在煤层顶板位置垂直应力随采高增加有少量减小,总体变化不大,最大主应力数值随采高的增加亦逐渐降低,采空区上方最小主应力作用区域随采高增加变化不大,顶煤破坏随采高增加变化不明显,破坏形式以拉破坏为主。

4 主要结论

通过模拟分析获得3．0m、4．0m、5．0m采高下工作面推进30m、40m、50m时顶煤位移、塑性区分布规律。通过分析获得了随工作面向前推进顶煤下沉量逐渐增大,塑性区逐渐向上、向前扩展的规律。在工作面推进过程中,顶煤应力释放明显,整个顶煤处于较小应力范围内,采空区上方存在明显拉应力以及较小压应力区域,随工作面推进该区域逐渐向上、向前扩展,顶煤塑性破坏较严重,其破坏形式以拉破坏为主。同时,随割煤高度的增加顶煤下沉量逐渐增加,顶煤塑性区变化亦不明显。综合顶煤下沉量、塑性区分布规律,获得2号煤层在生产过程中顶煤易于破碎冒落,有利于顶煤的顺利放出,顶煤冒放性较好。

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马亮(1986—),男,安徽蒙城人,2008年毕业于中国矿业大学采矿工程系,助理工程师,现任中煤第三建设集团有限责任公司三十工程处乌兰色太项目部技术经理。