不同充填率下煤层顶板应力分布特征研究

段树成

(山西煤炭进出口集团 蒲县豹子沟煤业有限公司,山西 临汾 041204)

不同充填率下煤层顶板应力分布特征研究

段树成

(山西煤炭进出口集团 蒲县豹子沟煤业有限公司,山西 临汾 041204)

以阳城煤矿7302工作面为地质背景,研究在不同充填率的情况下,煤层顶板应力分布特征,采用的充填材料为膏体充填,利用FLAC3D数值仿真软件,模拟充填率分别为60%、70%、80%和90%时煤层采动顶板垂直应力的分布特征, 为研究深部煤层顶板采动破坏变形提供一定的理论依据。

充填率;煤层底板;垂直应力

1 FLAC3D数值模型建立

根据阳城煤矿7302工作面地质条件,建立数值计算模型,见图1。模型中煤层距上边界距离为60 m,距下边界距离为38 m。因此本模型大小为190 m×190 m×100 m(长×宽×高),工作面长100 m,两侧各留45 m煤柱,模拟工作面走向长度为110 m,前后各留40 m煤柱。因煤层埋深为684.3 m,将所有顶板岩层简化为均布载荷8.82 MPa加在模型的上边界。模型侧面和底面限制移动,计算中煤岩采用弹塑性本构模型,屈服准则采用Mohr-coulumb准则。煤层顶底板岩层岩石力学参数,如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性参数

图1 三维数值计算模型Fig. 1 3D numerical calculation model

2 不同充填率下的顶板采动垂直应力分布特征

为研究不同充填率下的顶板采动垂直应力分布特征,假定充填膏体强度F=0.61(t-0.357)0.3。本次研究中充填率的参数变量分别为60%、70%、80%和90%。基于FlAC3D数值模拟软件,得出不同充填率下的顶板采动垂直应力分布云图,见图2。

2-a 充填率为60%

2-b 充填率为70%

2-c 充填率为80%

2-d 充填率为90%图2 不同充填率下的垂直应力云图Fig. 2 Vertical stress contour plot at different filling rates

由图2可以看出:采空区顶板垂直应力大小自下而上逐级递减,呈分层分布。工作面回采过程中,不同充填率的垂直应力分布范围是不断变化的,随着充填率的增大,采空区顶板应力释放程度逐渐减弱,当充填率60%时,采空区顶板应力释放程度较为明显,此时垂直应力峰值较大为45.5 MPa,之后随着充填率的增大,当充填率70%时,垂直应力峰值为37.1 MPa,采空区顶板应力释放程度变化较小;当充填率80%时,采空区顶板应力释放程度较弱,此时垂直应力峰值为29.5 MPa;之后随着充填率的增大,当充填率为90%时,垂直应力峰值较小为28 MPa,采空区顶板应力释放程度基本不变。可见,当充填率为60%和70%时,采空区顶板受采动影响较大,充填率大小对采空区顶板垂直应力的影响较为显著;当充填率为80%和90%时,采空区顶板受采动影响较小,充填率大小对采空区顶板垂直应力的影响不大,不同充填率时的覆岩沉降位移和垂直应力演化规律如表2所示。

表2 不同充填率时的覆岩沉降位移和垂直应力演化规律表Table 2 Evolution of overlying strata sedimentation displacement and vertical stress at different filling rates

由表2可以看出,当充填率变化幅度为10%时,采空区顶板垂直应力峰值变化幅度高达20.5%。充填率越高,覆岩沉降位移越小,垂直应力越小,当充填率达到80%时,随着充填率的再次增加,覆岩沉降位移和垂直应力趋于稳定。可见,充填率是覆岩沉降位移的主控参数,当采空区充填率为80%时,工作面在保证安全开采的前提下,可以大幅度降低矿区的充填成本。

3 结束语

通过对采空区的不同充填率的充填效果进行分析可以看出,膏体充填开采对煤层顶板的控制效果十分明显,不同的充填率对煤层顶板的控制效果是不同的,充填率越高效果越好,但是当充填率达到80%后,顶板的应力变化就趋于平缓,达到最佳充填效果,考虑到充填率越高,煤矿生产成本越大。综上所述,在煤矿充填开采过程中,充填率在80%左右时,充填效果和经济效果最佳。

[1] 王猛,牛誉贺,代连朋,等.似膏体充填开采工业广场保护煤柱后地表移动变形分析[J].中国地质灾害与防治学报,2015(4):43-49.

WANG Meng,NIU Yuhe,DAI Lianpeng,etal.Analysis of Surface Movement and Deformation after Mining pillar of Industry Square with Paste-filling[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2015(4):43-49.

[2] 邱梅,施龙青,于小鸽,等.似膏体充填开采防止高承压底板水突出研究[J].采矿与安全工程学报,2016(3):409-414,422.

QIU Mei,SHI Longqing,YU Xiaoge,etal.On Preventing the High Pressure Water-inrush from Floor with Paste-like Backfill Mining[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2016(3):409-414,422.

[3] 陈绍杰,郭惟嘉,周辉,等.条带煤柱膏体充填开采覆岩结构模型及运动规律[J].煤炭学报,2011(7):1081-1086.

CHEN Shaojie,GUO Weijia,ZHOU Hui,etal.Structure Model and Movement Law of Overburden during Strip Pillar Mining Backfill with Cream-body[J].Journal of China Coal Society,2011(7):1081-1086.

[4] 刘志钧.煤矸石似膏体充填开采技术研究[J].煤炭工程,2010(3):29-31.

[5] 蒋昊良.岱庄煤矿承压水上膏体充填开采技术研究[D].徐州:中国矿业大学，2005.

(编辑:薄小玲)

DistributionFeaturesofCoalRoofStressatDifferentFillingRates

DUANShucheng
(BaozigouMiningCo.,Ltd.,ShanxiCoalImportandExportGroup,Linfen041204,China)

Taking No.7302 working face in Yangcheng Mine as geological background, the distribution of coal roof stress at different filling rates was studied. Paste filling was adopted. FLAC3Dnumerical simulation software was used to simulate the vertical stress distribution of roof caused by mining at the different filling rates (60%, 70%, 80%, and 90%). The study could provide the theoretical evidence for the damage and deformation of the coal roof caused by mining.

filling rate; coal floor; vertical stress

TD32

A

1672-5050(2017)03-0012-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.06.004

2017-05-11

段树成(1988-),男,山西平顺人,大学本科,助理工程师,从事煤矿生产管理工作。