淺埋煤層走向煤柱對支承壓力影響的數值模擬研究

劉文濤,許家林,朱衛兵,王曉振 邊樹興

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116;3.中國人民解放軍73151部隊,福建省廈門市,361100)

目前煤柱下開采多集中于對礦壓顯現規律的研究,對工作面超前支承壓力的研究較少,且對傾向煤柱研究的廣泛、深入程度遠大于走向煤柱,因此,對走向煤柱下超前支承壓力的研究具有很大的必要性。本文結合典型淺埋煤層條件——神東礦區大柳塔煤礦活雞兔井21306工作面的實際開采情況,運用FLAC3D軟件對工作面超前支承壓力進行模擬研究,掌握超前支承壓力在煤柱下的變化規律,評價其對工作面開采的影響程度,為今后類似條件下工作面的開采提供參考依據。

1 地質條件

神東煤炭分公司大柳塔煤礦活雞兔井三盤區為上煤層1-2上煤已采,正在開采下煤層1-2煤的主力采區,目前正在開采21306工作面,平均采高4.3 m,傾向長度255.7 m,共安裝151架支架,走向長度2699.3 m,其中前1050 m范圍內地表溝谷縱橫,1-2煤層底板標高1100～1106 m,起伏不大,屬近水平煤層,采深75～155 m。地面標高1173～1246 m,落差最大達60 m,其余部分地表較為平緩。距21306工作面機頭173～193 m的位置為98#～110#支架,上部為已采21上305和21上306工作面間保護煤柱,煤柱高3.2 m,寬20 m,與工作面走向一致,下煤層1-2煤與上煤層1-2上平均間距為30 m,屬近距離煤層(見圖1所示),相互間影響較為明顯。

圖1 21306工作面的開采條件

2 模型的建立

根據21306工作面的實際地質條件,按照工作面的實際寬度,對工作面距切眼200～550 m范圍內的開采區域進行建模,模型在XYZ 3個方向劃分138600個單元,產生147112個節點(見圖2所示)。

圖2 模型塊體劃分

模型塊體根據現場柱狀進行劃分,但由于塊體劃分時受軟件自身的影響,先劃分網格再生成幾何模型,為避免網格的過度集中,保持網格的均一性,對模擬柱狀做了一定的簡化,同時在工作面推進方向研究范圍之外各加設100 m,以抵消模型計算過程中的邊界效應,實際模型左右邊界分別對應距切眼100 m及650 m位置。

計算過程為:生成模型→原巖應力計算→開采1-2上煤→平衡→開采1-2煤→結果輸出。

模型采用摩爾庫侖屈服準則:

式中:σ1——最大主應力;

σ3——最小主應力;

c——表土的粘結力;

φ——表土的摩擦角。

當fs<0時,將發生剪切破壞。建模參數如表1所示。

表1 物理力學參數

3 模擬結果分析

取6張垂直應力分布圖,見圖3所示。首先由圖3(d)、3(e)和3(f)可以看出工作面前端和兩翼為應力集中顯著區段,前部支承壓力由于煤柱的存在呈現一系列的波狀起伏。輸出圖3(f)中工作面前方集中應力峰值繪制的曲線如圖4所示。曲線整體上由3個波峰和2個波谷組成:第一個波峰位于機頭(Y=170 m)與煤柱之間,中部壓力較大但變化幅度較小,形成一個鍋底狀的壓力升高區段;第二個波峰位于煤柱正下方,在煤柱集中壓力的作用下,峰值遠大于其他位置,壓力表現最為明顯;第三個波峰位于煤柱與機尾(Y=430 m)之間略靠近機尾側,由于走向煤柱產生的集中應力影響范圍有限,在煤柱側向10～30 m之內,其作用效果就會降低至最小值,并且煤柱影響范圍的近機尾側邊界距側向煤壁較近,使得側向煤壁承受了很大一部分載荷,工作面前方煤壁承受的載荷大為減小,因此,峰值與其余兩個相比較小,在此不著重研究。

淺埋煤層賦存條件下煤層內部原巖應力較低,結合模擬結果可以知道應力為1.5～3.0 MPa,見圖3(a)。上煤層開采后,工作面間20 m保護煤柱承受較高的集中應力,達到10.6～13.2 MPa(見圖5中1曲線),類似于400～500 m采深時煤巖內部的原巖應力,受開采地形影響中部略有降低,應力集中系數為4.8～5.3。當集中應力傳遞至下煤層底板時減至8.5～9.6 MPa(見圖5中2曲線),為上煤層底板的73%～80%,受地形的影響變小,峰值變化較之前有所降低。下煤層開采過程中,對比圖3(d)、圖3(e)與圖3(f)可以看出工作面推進至不同的開采位置時,超前支承壓力十分相近,為突出其微弱量變,將各推進位置煤柱下、機頭與煤柱間超前支承壓力峰值統計如圖5所示。

圖3 垂直應力分布圖

可以看到,下煤層開采過程中,工作面位于煤柱下的超前支承壓力顯著提高,達到16.0～16.7 MPa,相當于610～640 m采深時煤巖內部的原巖應力,與下煤層開采前相比,增幅73%～88%,應力集中系數達到6.0～8.0;與此同時,工作面機頭與煤柱間煤壁中的集中應力為9.3～10.0 MPa,類似于360～380 m采深時煤巖內部的原巖應力,應力集中系數為3.6～4.3。對比二者,煤柱下應力峰值較機頭與煤柱間增加了6.6～7.2 MPa,增幅66%～77%。受煤柱下高支承壓力的影響,工作面開采此位置時的危險程度較高,更易產生片幫、漏頂現象。

4 試測驗證

圖6記錄了工作面推進至距切眼250～550 m位置中班生產過程中的片幫情況。從圖中可以看出,片幫主要分布于煤柱下部及機頭與煤柱中間部位,且煤柱下片幫頻率更高。據不完全統計,煤柱下片幫達到1 m的位置對應距切眼距離為404.4 m、461.2 m、467.2 m、475 m及523.2 m,均位于煤柱下部位置;而機頭與煤柱之間卻沒有發生嚴重的片幫情況,片幫深度多為0.2～0.7 m。 通過以上分析可以知道,由于工作面上部煤柱的存在,超前支承壓力會因煤柱下應力集中而變得很大,由于煤層埋藏較淺,其作用結果最大僅相當于不足650 m采深時的原巖應力狀態,對生產影響較小,僅煤柱下片幫較為嚴重,但如果煤層間距變小或是采深加大,這種作用的結果勢必加劇。

圖7 煤壁片幫位置實測記錄圖

5 結論

(1)由于煤柱的影響,超前支承壓力表現為一系列波狀彎曲,整體上由3個背斜2個向斜組成,背斜峰值大小依次為煤柱下、機頭與煤柱間、煤柱與機尾間。

(2)下煤層開采過程中,煤柱下超前支承壓力峰值較其他位置峰值最小增幅為66%～77%;與下煤層開采前相比,煤柱下超前支承壓力峰值增加了73%～88%,表現出上部遺留煤柱對超前支承壓力的顯著影響。

(3)由于煤層埋深較淺,應力集中的效果僅相當于不足650 m采深時的原巖應力狀態,對生產影響較小,如果煤層間距變小或是采深加大,作用的效果勢必加劇。

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