不同开采条件对房采区下开采影响模拟

李志伟, 缑子锦

(山西兰花集团 东峰煤矿有限公司,山西 晋城 048000)

不同开采条件对房采区下开采影响模拟

李志伟, 缑子锦

(山西兰花集团 东峰煤矿有限公司,山西 晋城 048000)

22202工作面为大柳塔矿22煤二盘区已回采的大采高综采工作面,22202工作面开采区域正上方为12煤房采采空区,12煤与22煤层间距25.8 m～30.37 m;在回顺14联行靠近2-2煤火烧边界顶帮煤层局部松散变软。根据22202工作面上方采空区煤柱的特点,运用FLAC3D建模分析不同煤柱情况下工作面开挖过程中煤壁超前应力分布特征、工作面开挖过程中上方采空区煤柱失稳特征和工作面顶板压力及下沉量,得出工作面超前应力分布规律及煤层顶板下沉量变化规律。

大柳塔矿;采空区煤柱;超前应力分布;煤矿失稳;下沉量

22202工作面为大柳塔矿22煤二盘区已回采的大采高综采工作面,煤层厚度3.7 m～4.3 m,平均煤厚3.95 m,厚度稳定,结构简单22煤抗压强度为6.07 MPa～23.47 MPa,平均14.5 MPa。22202工作面上部为12煤旺采区,煤柱基本未垮落。22202工作面开采区域正上方为12煤房采采空区,该房采区采用连采房柱式采煤工艺,房采采高达到7 m～7.5 m,采硐宽度5 m,煤柱7 m。采空区总面积为1.163×105m2,占22202综采面回采面积的60%左右。12煤与22煤层间距25.8 m～30.37 m;在回顺14联行靠近2-2煤火烧边界顶帮煤层局部松散变软[1-6]。

22202工作面共布置185台支架,支架额定工作阻力1.2×104kN。根据22202工作面上方采空区煤柱的特点,将工作面面长方向划分为5个监测区,从机头到机尾依次为机头房采巷道区、房采小煤柱区、房采中间隔离煤柱区、房采大煤柱区和机尾集中煤柱区。为研究上覆大采高房采煤柱产生的集中应力对下煤层回采巷道变形的影响,分析22202综采面回采时超前压力的显现规律,为类似22202工作面的巷道布置形式、支护参数以及超前支护方式的确定提供依据。用FLAC3D建模分析不同煤柱情况下工作面开挖过程中煤壁超前应力分布特征、工作面开挖过程中上方采空区煤柱失稳特征、工作面顶板压力及下沉量[7-9]。

1 模型构建及力学参数

根据大柳塔矿井22202工作面的地质资料,设计模型尺寸(X×Y×Z)为500 m×55 m×83 m。模型沿推进方向(X方向)长度500 m,设计总开挖长度400 m。垂直方向(Z方向)厚度83 m,主要由5个分层构成,分别为22煤层底板(厚度5 m)、22煤层(厚度3.9 m)、22煤层顶板(厚度30.1 m)、12煤层(厚度7.3 m)和12煤层顶板(厚度36.7 m)[10-11]。模型示意图如图1所示。

1-a 正视图

1-b 侧视图图1 模型示意图Fig.1 The model diagram

工作面顶底板岩层力学参数见表1。

表1 模型岩层力学参数

根据房采区煤柱尺寸状况,建立4个基本模型。

模型a(小型煤柱模型):工作面上方有采空区,房柱采空区采高7.3 m,采硐宽度5 m,煤柱尺寸7 m×7 m。沿工作面开挖400 m,共分8步开挖,每次开挖50 m。

模型b(大型煤柱模型):工作面上方有采空区,房柱采空区采高7.3 m,采硐宽度5 m,煤柱尺寸15 m×40 m。沿工作面开挖400 m,共分8步开挖,每次开挖50 m。

模型c(综合对比模型):工作面上方有采空区,房柱采空区采高7.3 m,采硐宽度5 m,开挖前半部分上方煤柱尺寸15 m×5 m,开挖后半部分上方煤柱尺寸15 m×40 m。沿工作面开挖400 m,共分8步开挖,每次开挖50 m。

模型d(实体煤模型):工作面上方12煤层均未开挖,为实体煤。

2 模型计算结果

2.1超前应力分析

工作面支承压力分布如图2所示,L1为应力峰值距煤壁的距离,L2为应力的超前影响范围。

图2 工作面支承压力分布示意图Fig.2 The abutment pressure distribution of the working face

煤壁前方应力集中情况如图3,图中分别以模型a、模型b工作面开挖400 m为例。

由图3可知,模型a(小型煤柱)与模型b(大型煤柱)的煤壁前方集中应力距离煤壁约8 m～13 m。不同开挖阶段模型a与模型b的煤壁前方集中应力值见表2。

3-a 模型a

3-b 模型b图3 工作面开挖400 m时煤壁前方应力集中情况Fig. 3 Stress concentration in front of the coal wall when excavating roadway of 400 m

表2煤壁前方煤体集中应力

Table 2 Concentrated stress in front of the coal wall 单位:MPa

注:l代表开挖步距。

由表2可知,随着工作面开挖,工作面煤壁前方超前集中应力呈增大趋势,当工作面开挖至350 m,超前集中应力达到稳定,模型b(大型煤柱)的煤壁前方集中应力比模型a(小型煤柱)的煤壁前方集中应力大。

2.212煤采空区顶板下沉量分析

将工作面开切眼处定为原点(x=0)。在房采区顶板中,设置9个顶板下沉量监测点,其x坐标值分别为25 m,70 m,115 m,160 m,205 m,250 m,295 m,340 m,385 m。

模型a开挖过程中工作面上方12煤房采采空区顶板下沉量见表3。

由表3可知:在小型煤柱条件下,工作面前方0 m～50 m范围,上方采空区的超前下沉量为100 mm～200 mm,超前下沉量较小。

12房采工作面小煤柱尺寸为7 m×7 m,煤柱高7.3 m,采硐为5 m,按照煤柱完全垮落破碎时的碎胀系数1.20算,12煤顶板下沉量最大约2 544 mm。而上方采空区的超前下沉量最大200 mm,远小于2 544 mm,因此在8倍采高隔离岩柱条件下,小煤柱保持基本稳定。

表3 模型a开挖过程中12煤房采采空区顶板下沉量(8倍采高隔离岩柱)Table 3 Subsidence of coal roof in chamber mining goaf of No.12 coal seam in Model a (8 times of the height of isolated pillars)

模型b开挖过程中工作面上方12煤房采采空区顶板下沉量见表4。由表4可知,在大型煤柱条件下,上方采空区的超前下沉量为0 mm,即没有出现超前垮塌现象,煤柱保持稳定。

表4 模型b开挖过程中12煤房采采空区顶板下沉量(8倍采高隔离岩柱)Table 4 Subsidence of coal roof in chamber mining goaf of No.12 coal seam in Model b (8 times of the height of isolated pillars)

模型c开挖过程中工作面上方12煤房采采空区顶板下沉量见表5。由表5可知,工作面前方0 m～50 m范围,上方采空区的超前下沉量为10 mm～40 mm,超前下沉量很小,煤柱保持稳定。

表5 模型c开挖过程中12煤房采采空区顶板下沉量(8倍采高隔离岩柱)Table 5 Subsidence of coal roof in chamber mining goaf of No.12 coal seam in Model c (8 times of the height of isolated pillars)

2.322煤顶板下沉量

根据工作面支架选型状况,模拟设计工作面支架的支护强度为1.38 MPa,控顶距5 m,综采工作面采高为3.7 m。以工作面煤壁处设为坐标0点,支架侧为正坐标,煤体一侧为负坐标,统计模型a(小型煤柱)、模型b(大型煤柱)和模型d(实体煤)在开挖350 m后的22煤顶板下沉量,如表6所示。

由表6可知:

1)工作面支架上方,模型a(小型煤柱)顶板下沉量约为100 mm,顶板控顶效果为“好”;模型b(大型煤柱)顶板下沉量约为350 mm,顶板控顶效果为“中”;模型d(实体煤)顶板下沉量约为20 mm,顶板控顶效果为“极好”;即当上方房柱采空区为大型煤柱时,支架上方顶板下沉量要明显大于小型煤柱条件下的顶板下沉量,而小型煤柱条件下的顶板下沉量又明显大于实体煤条件下。

2)在实体煤一侧,顶板下沉量微小,大型煤柱条件下的下沉量稍大一些。

表6 模型a、b和d的22煤工作面顶板下沉量Table 6 Roof subsidence of No. 22 coal seam working face with Model a, b, and c

3 结论

工作面开挖过程中煤壁前方集中应力距离煤壁约8 m～13 m,大煤柱条件下的煤壁前方集中应力比小煤柱条件下的煤壁前方集中应力大。

根据实际条件,设定隔离岩柱高度为8倍综采工作面采高;小煤柱(7 m×7 m×7 m)条件下,工作面前方0 m～50 m煤柱垂向变形量200 mm(一般150 mm),煤柱保持稳定,大煤柱(15 m×40 m×7 m)条件下,工作面前方0 m～50 m煤柱垂向变形量0 mm,煤柱保持稳定;小煤柱条件下,工作面顶板下沉量约为100 mm,控顶效果为“好”,大煤柱条件下,顶板下沉量约为350 mm,控顶效果为“中”;当上方房柱采空区为大型煤柱时,支架上方顶板垂直应力比小型煤柱条件下的顶板垂直应力大0.15 MPa。

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SimulationofMiningEffectofDifferentMiningConditionsonChamberMiningGoaf

LIZhiwei,GOUZijin
(DongfengCoalMineCo.,Ltd.,ShanxiLanhuaGroup,Jincheng048000,China)

No.22202 working face is a large-mining-height fully-mechanized mining face in the second panel, No.22 coal seam, Daliuta Mine. The mining area of the No.22202 working face is directly under the chamber mining goaf of No.12 coal seam. The interval between No.12 and No.22 coal seam ranges from 25.8 m to 30.37 m. The coal roof and wall turns loose at 2-2 coal fire boundary of No. 14 air return roadway. Based on the coal pillars of the goaf above the No.22202 working face, FLAC3Dis used to analyze, under different coal pillars, pre-stress distribution of the coal wall, the instability of the coal pillars in the above goaf, and the stress and subsidence of the coal roof in order to achieve the pre-stress distribution and subsidence variation of the coal roof.

Daliuta Mine; coal pillars in goaf; pre-stress distribution; instability of mine; subsidence

1672-5050(2017)03-0004-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.002

2017-04-04

李志伟(1990-),男,山西晋城人,硕士,从事煤矿生产相关工作。

TD323

A

(编辑:杨 鹏)