查干淖爾一號井煤層冒放性規(guī)律研究

馬亮 李少華 毛永江 史衛(wèi)平

(1.中煤礦山建設(shè)集團第三十工程處,安徽宿州 234000;2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,國土資源與測繪工程系,山東濟南 250100)

查干淖爾一號井煤層冒放性規(guī)律研究

馬亮1李少華1毛永江1史衛(wèi)平2

(1.中煤礦山建設(shè)集團第三十工程處,安徽宿州 234000;2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,國土資源與測繪工程系,山東濟南 250100)

本文采用FLAC3D數(shù)值計算軟件,對查干淖爾一號井2號煤層的頂煤冒放性進行評價,為后續(xù)回采工藝的確定以及設(shè)備的選型提供理論依據(jù)。綜合頂煤下沉量、塑性區(qū)分布規(guī)律,獲得2號煤層在生產(chǎn)過程中頂煤易于破碎冒落,有利于頂煤的順利放出,頂煤冒放性較好。

頂煤 冒放性 數(shù)值模擬 塑性區(qū)

內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)煤炭資源豐富,分布地域廣闊。查干淖爾一號井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟阿巴嘎旗南部查干淖爾鎮(zhèn)境內(nèi)。礦井資源豐富,用戶穩(wěn)定,礦井建設(shè)規(guī)模定為8．0Mt/a,為滿足生產(chǎn)能力的要求,礦井決定采用綜采放頂煤開采工藝。綜放開采是在厚煤層的下部布置工作面,利用地壓破煤、自重落煤以將頂煤放出的一種厚煤層開采方法。其成功實施的前提是頂煤冒放性好,可以及時垮落和破碎。因此,頂煤及時垮落和充分破碎是綜放開采得以實現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。在綜放開采中,頂煤破壞的主要動力來自礦山壓力,頂煤能否及時垮落和充分破碎主要取決于煤體的整體強度和礦山壓力的大小。當(dāng)?shù)V山壓力作用不能使頂煤及時垮落和充分破碎時,大量頂煤將難以回收,造成資源浪費。只有良好的頂煤冒放性才能確保放頂煤采煤工藝的順利實施,因此在采用放頂煤開采工藝時,首先要對頂煤冒放性進行評價。

圖1 2號煤層綜放采場模型

圖2 3.0m割煤高度時位移演化規(guī)律

表1 各巖層所取力學(xué)參數(shù)

本文在已有地質(zhì)報告的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值模擬方法,對2號煤層的頂煤冒放性進行評價,為后續(xù)回采工藝的確定以及設(shè)備的選型提供理論依據(jù)。本文主要研究放頂煤開采頂煤破壞運動規(guī)律,在采場模擬方面FLAC3D具有其獨特優(yōu)勢,因此本文采用FLAC3D軟件進行模擬分析。

1 模擬方案的確定和模型的建立

1.1 模擬方案的確定

為了全面、系統(tǒng)地反映頂煤運動規(guī)律,結(jié)合查干淖爾一號井2號煤層地質(zhì)條件,建立三維模型對其進行模擬分析。通過建立工作面采場模型,模擬分析煤層采出后頂煤應(yīng)力演化規(guī)律、頂煤下沉規(guī)律、塑性區(qū)擴展規(guī)律等內(nèi)容,全面掌握綜放采場頂煤運動規(guī)律,對頂煤冒放性做出評價。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件,分別選取割煤高度3．0m、4．0m、5．0m建立模型,模擬在不同采高條件下工作面推進30m、40m、50m時頂煤運動規(guī)律,借以分析不同采高條件下頂煤冒放性。

圖3 煤層頂板位移演化曲線

圖4 3.0m割煤高度時塑性區(qū)分布規(guī)律

圖5 4.0m割煤高度時位移演化規(guī)律

圖6 煤層頂板位移演化曲線

圖7 4.0m割煤高度時塑性區(qū)分布規(guī)律

圖8 5.0m割煤高度時位移演化規(guī)律

圖9 煤層頂板位移演化曲線

圖10 5.0m割煤高度時塑性區(qū)演化規(guī)律

1.2 模型的建立

2號煤層埋藏深度為214m,根據(jù)鉆孔資料建立模型,在建立模型過程中,適當(dāng)簡化地質(zhì)條件,工作面走向方向取90m,工作面傾向方向取80m,模型高度取5ss4m,其上覆巖層重量采用施加壓力的方式進行轉(zhuǎn)化。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的巖石力學(xué)試驗確定各巖層采用的巖體力學(xué)參數(shù),力學(xué)參數(shù)的選取見表1。

模型側(cè)面限制水平移動,底面限制垂直移動,采場模型如圖1所示。模擬過程中沿走向方向分步開挖,每次開挖10m,選取開挖30m、40m、50m計算結(jié)果進行分析。

2 頂煤運動規(guī)律模擬結(jié)果分析

通過模擬計算獲得了不同采高條件下工作面推進過程中頂煤運動規(guī)律,現(xiàn)將頂煤運動規(guī)律模擬結(jié)果分析如下。

2.1 3.0m采高時頂煤運動規(guī)律分析

2.1.1 位移演化規(guī)律分析

工作面推進30m、40m、50m時沿煤層走向和傾向方向頂煤位移演化規(guī)律如圖2所示,煤層頂板位移演化曲線如圖3所示。由圖可以看出,工作面上方頂煤及覆巖位移分區(qū)性明顯。工作面上方存在最大下沉位移區(qū)域、次大下沉位移區(qū)域,該兩區(qū)域均隨工作面推進距離的增加逐漸向前擴展、向上擴展。采空區(qū)底板處存在較大正向位移,即底鼓現(xiàn)象,這與現(xiàn)場生產(chǎn)相一致。在工作面推進30m時,其次大位移區(qū)域已擴展至2煤頂板,頂煤在該范圍內(nèi)即已發(fā)生離層和冒落。因此,在3．0m割煤高度時頂煤能充分冒落。

圖11 煤層頂板位移演化曲線

圖12 煤層頂板垂直應(yīng)力演化曲線

2.1.2 頂煤塑性區(qū)擴展規(guī)律分析

工作面推進30m、40m、50m時沿煤層走向和傾向方向頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律如圖4所示。由圖可以看出,煤層采出后頂煤破壞嚴(yán)重。采空區(qū)上方頂煤以拉破壞為主,其中存在少量的剪破壞形式,破壞區(qū)域隨工作面推進逐漸向上、向前擴展。煤壁位置以剪切破壞為主,在生產(chǎn)過程中應(yīng)采取措施控制頂煤偏幫現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 4.0m采高時頂煤運動規(guī)律分析

2.2.1 頂煤位移演化規(guī)律分析

工作面推進30m、40m、50m時沿煤層走向和傾向方向頂煤位移演化規(guī)律如圖5所示。煤層頂板位移演化曲線如圖6所示。由圖可以看出,在采高4．0m條件下位移演化規(guī)律與3．0m采高時位移演化規(guī)律相似。相同推進距離時,4．0m采高頂煤最大下沉量稍大于3．0m采高頂煤下沉量。采空區(qū)上方最大位移區(qū)域、次大位移區(qū)域均隨工作面推進距離的增加逐漸增大,隨工作面推進距離的增加逐漸向上擴展。

2.2.2 頂煤塑性區(qū)擴展規(guī)律分析

工作面推進30m、40m、50m時沿煤層走向和傾向方向頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律如圖7所示。由圖可以看出,采空區(qū)周圍巖層均已發(fā)生破壞,采空區(qū)上方頂煤發(fā)生破壞形式以拉破壞為主,煤層底板破壞形式以剪切破壞為主。隨工作面向前推進采空區(qū)上方拉破壞區(qū)域隨工作面推進逐漸向上、向前擴展。對比采高3．0m時頂煤塑性區(qū)擴展規(guī)律,相同推進距離時,隨采高增加頂煤塑性區(qū)逐漸向上擴展。

2.3 5.0m采高時頂煤運動規(guī)律分析

2.3.1 頂煤位移演化規(guī)律分析

工作面推進30m、40m、50m時沿煤層走向和傾向方向頂煤位移演化規(guī)律如圖8所示。煤層頂板位移曲線如圖9所示。由圖可以看出,在采高5．0m條件下,其位移分布規(guī)律與4．0m采高時相似,隨工作面推進距離的增加頂板下沉量逐漸增大。相同推進距離時,頂煤最大下沉量稍大于4．0m采高條件下頂煤下沉量,隨割煤高度的增加,頂煤下沉量有增大的趨勢。

2.3.2 頂煤塑性區(qū)擴展規(guī)律分析

工作面推進30m、40m、50m時沿煤層走向和傾向方向頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律如圖10所示。由圖可以看出,隨推進距離增加頂煤塑性區(qū)逐漸向上、向前擴展。采空區(qū)上方頂煤發(fā)生拉破壞,拉破壞區(qū)域隨工作面推進逐漸向上、向前擴展,煤壁位置以剪切破壞為主。在工作面推進50m時,整個頂煤近于整體破壞。

綜合3．0m、4．0m、5．0m割煤高度頂煤運動規(guī)律分析,獲得了隨工作面推進頂煤下沉量逐漸增大,垂直主應(yīng)力數(shù)值逐漸增加,最大主應(yīng)力數(shù)值逐漸增加,塑性區(qū)逐漸向前擴展。三種采高條件下,頂煤應(yīng)力釋放明顯,整個頂煤處于較小應(yīng)力范圍內(nèi),采空區(qū)上方存在明顯拉應(yīng)力以及無應(yīng)力區(qū)域,隨工作面推進該拉應(yīng)力區(qū)域逐漸向上、向前擴展,頂煤塑性破壞較嚴(yán)重,在此條件下有利于頂煤的放出。

3 不同割煤高度頂煤運動規(guī)律對比分析

針對不同采高條件下工作面推進過程中頂煤運動規(guī)律,現(xiàn)選取在工作面推進50m時頂煤運動規(guī)律模擬結(jié)果對比分析如下。

3.1 頂煤位移演化規(guī)律對比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m時煤層頂板位移變化曲線如圖11所示。由圖可以看出,頂煤最大下沉量隨采高的增加逐漸增加,3．0m割煤高度時頂煤最大下沉量已擴展至頂煤頂板位置,說明在3．0m采高時頂煤即可實現(xiàn)完全垮落。

3.2 頂煤垂直應(yīng)力分布規(guī)律對比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m時煤層頂板位置垂直應(yīng)力演化曲線如圖12所示。由圖可以看出,割煤高度3．0m時垂直應(yīng)力最大值為9．71MPa,割煤高度4．0m時最大值為9．12MPa,割煤高度5．0m時最大值為8．80MPa,可以看出,垂直應(yīng)力最大值隨割煤高度的增加逐漸降低。同時可以看出,在煤層頂板位置垂直應(yīng)力隨采高增加變化不大,其垂直應(yīng)力隨采高增加有少量的減小。

3.3 頂煤塑性區(qū)擴展規(guī)律對比分析

割煤高度3．0m、4．0m、5．0m時沿煤層頂煤塑性區(qū)演化規(guī)律對比可以看出,不同采高時頂煤破壞區(qū)域和破壞形式隨割煤高度的增加變化不大,在工作面推進50m時采空區(qū)上方頂煤發(fā)生整體破壞,破壞形式以拉破壞為主。

綜合以上分析得出,頂煤最大下沉量隨采高的增加逐漸增加,垂直應(yīng)力數(shù)值隨采高增加逐漸降低,但在煤層頂板位置垂直應(yīng)力隨采高增加有少量減小,總體變化不大,最大主應(yīng)力數(shù)值隨采高的增加亦逐漸降低,采空區(qū)上方最小主應(yīng)力作用區(qū)域隨采高增加變化不大,頂煤破壞隨采高增加變化不明顯,破壞形式以拉破壞為主。

4 主要結(jié)論

通過模擬分析獲得3．0m、4．0m、5．0m采高下工作面推進30m、40m、50m時頂煤位移、塑性區(qū)分布規(guī)律。通過分析獲得了隨工作面向前推進頂煤下沉量逐漸增大,塑性區(qū)逐漸向上、向前擴展的規(guī)律。在工作面推進過程中,頂煤應(yīng)力釋放明顯,整個頂煤處于較小應(yīng)力范圍內(nèi),采空區(qū)上方存在明顯拉應(yīng)力以及較小壓應(yīng)力區(qū)域,隨工作面推進該區(qū)域逐漸向上、向前擴展,頂煤塑性破壞較嚴(yán)重,其破壞形式以拉破壞為主。同時,隨割煤高度的增加頂煤下沉量逐漸增加,頂煤塑性區(qū)變化亦不明顯。綜合頂煤下沉量、塑性區(qū)分布規(guī)律,獲得2號煤層在生產(chǎn)過程中頂煤易于破碎冒落,有利于頂煤的順利放出,頂煤冒放性較好。

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馬亮(1986—),男,安徽蒙城人,2008年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程系,助理工程師,現(xiàn)任中煤第三建設(shè)集團有限責(zé)任公司三十工程處烏蘭色太項目部技術(shù)經(jīng)理。