黃河北煤田薄煤層覆巖采場推進方向運動規律研究

賈 珍 原少潔 張貴銀

(棲霞市金興礦業有限公司)

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·采礦工程·

黃河北煤田薄煤層覆巖采場推進方向運動規律研究

賈 珍 原少潔 張貴銀

(棲霞市金興礦業有限公司)

在FLAC3D的輔助下，以緩傾斜薄煤層特點較為典型的黃河北煤田某礦為研究對象，對該區域采場上覆巖層采場推進方向上的運動、破壞規律進行數值模擬分析，探討了薄煤層開采條件下的支承壓力分布規律，驗證了中厚煤層、厚煤層中采場推進方向動態模型在薄煤層中的適用性。

數值模擬 緩傾斜 薄煤層 推進方向 支承壓力

薄煤層在我國可采煤炭儲量中所占比重約20%，其中0.75～1.25 m的緩傾斜薄煤層約為74%，中等硬度以下的薄煤層為煤層總數的65%。根據對各類安全事故的調查發現，礦井巖層運動以及現場應力場應力的大小和分布條件是煤礦各類安全事故的導火索，由于對緩傾斜薄煤層開采的礦山壓力和上覆巖層運動規律掌握不夠，缺失較為有效的控制措施，因而在巷道維護和采場頂板管理方面投入大量的人力、物力、成本未能有效減少。為實現緩傾斜薄煤層煤礦安全高效生產，需要結合我國緩傾斜薄煤層特點對礦山壓力、上覆巖層運動的控制進行分析[1-3]。

黃河北煤田主采煤層主要以緩傾斜薄煤層為主，根據相應的緩傾斜薄煤層地質情況以及采動情況(例如開采程序、工作面長度以及采高等因素)，建立對應的緩傾斜薄煤層結構模型，確定各參數，以對鄰近工作面回采巷道掘進準備及事故進行控制。

1 模擬軟件簡介

目前在大型巖土分析方面，FLAC3D有著較為優異的表現，在礦井巷道及工作面礦山壓力分析較為有效。由于FLAC3D的程序采用顯式有限差分，并應用混合離散劃分單元技術，內置多種巖土力學模型，因而可有效對巖石、土等高度非線性地質材料的力學行為進行相關模擬分析[4]。

該軟件內部使用Fish語言編程，可自行編制相應的函數、變量，同時可開發自定義力學模型，保證了程序的靈活性以及使用范圍；該軟件擁有較高可視化程度的模擬輸入、輸出，在前、后處理能力方面有著不俗的表現。

2 數值模擬計算

2.1 計算模型

分析黃河北煤田緩傾斜薄煤層上覆巖層在采場推進方向上覆巖層的運動規律時，以該煤田內緩傾斜薄煤層特點較為典型的某礦為參考對象，建立計算模型，通過設定平行、垂直煤層回采方向以及鉛直方向(分別為x、y、z軸，在構建坐標系時將垂直模型上表面向上為正)，建立該煤礦緩傾斜薄煤層模型，在x、y、z軸上設定的延伸范圍分別為325，150，70 m，回采進尺方向長度約325 m，煤層傾角平均為2°(模擬時設定為水平煤層)，平均厚度設定為1.45 m，煤層平均埋深約455 m。

開采模型對網格的劃分盡量達到精細化，單元的大小形狀適中。為實現較為優異的模擬、分析效果，需要控制單元大小約2.5 m。考慮到建立的模型計算相對復雜，同時為了保證控制總體單元的計算在硬件承受范圍內，要放大一部分離采場較遠的單元體[5]。整個模型通過8節點六面體單元構建，最終模型的三維視圖和煤層視圖如圖1所示。

2.2 計算參數

計算參數見表1。

圖1 計算三維模型

材料號巖性名稱容重/(kN/m3)泊松比摩擦角/(°)變形模量/GPa內聚力/MPa1上覆巖體25100．1873242．98．52泥巖19730．204321963細沙巖25800．159335084泥巖19730．204321965煤層13800．280281．526粉沙巖25810．1693730．77

2.3 模擬步驟

根據薄煤層埋深、容重、測壓系數等對模型進行初始應力計算，沿開采方向對待采煤層分步開挖，共進行了130步模擬開挖，循環進尺2.5 m。

3 計算結果與分析

圖2為煤層回采到不同推進進尺距離情況下煤層的支承壓力云圖。

圖2 緩傾斜薄煤層各進尺煤層支承壓力云圖

結合相應礦山壓力理論，分析以上不同進尺薄煤層支撐壓力云圖，可得出以下結論：

(1)煤層最大支承壓力伴隨推進距離的不斷增大相應增大，支承壓力最大值出現在工作面進尺約225 m時，最大數值為26.1 MPa。

(2)支承壓力峰值位置伴隨工作面的推進不斷深入煤壁，當工作面進尺約225 m時最大峰值出現，深入煤壁10 m左右。

(3)隨開采活動的進行，上覆巖層會按照從下往上的順序發生沉降、斷裂、冒落等巖層運動，造成礦山壓力的重新分布，進而導致相應的煤巖體變形破壞以及各類支承體的應力變化[6-7]。另外，支承體的力學性質與覆巖的破壞關系密切，相異的支承體力學狀態對上覆巖層在邊界附近的斷裂規律會產生改變。在井下各類巖層中，只有直接頂可以直接觀察監測，要對覆巖破壞運動狀態、煤體狀態以及支承壓力分布等進行推斷時，可在具體采場巷道及推進工作面進行適當觀測，如支架承載和頂、底板位移等。所以，“支承壓力及其顯現與薄煤層覆巖的關系”是“正演”和“反演”的關系，此即為薄煤層開采時相關巖層穩定及失穩的理論基礎。

4 結 論

黃河北煤田緩傾斜薄煤層采場上覆巖層的運動導致了相應的支承壓力分布變化，同時，煤體的力學特性也會導致支承壓力分布變化。先前建立的沿采場推進方向的動態模型在薄煤層應用方面理論和實踐較少，均是應用于厚煤層以及中厚煤層，通過對該黃河北煤田緩傾斜薄煤層較為典型的某礦進行相關數值模擬計算、分析，可證明在緩傾斜薄煤層采場中也存在著類似的沿采場推進方向的動態模型，為該地區煤田緩傾斜薄煤層的采場控制設計提供了一定的借鑒。

[1] 梁洪光.薄煤層綜采技術發展現狀[J].煤礦開采，2009，14(1):9-11.

[2] 毛德兵，藍 航，徐 剛.我國薄煤層綜合機械化開采技術及其新進展[J].煤礦開采，2011，16(3)：11-14.

[3] 鐘兆華.綜采技術在較薄煤層工作面如何實現高效[J].煤炭技術，2009，8(12)：118-120.

[4] 王 濤,韓 煊,趙先宇.FLAC3D數值模擬方法及工程應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2015.

[5] 尹光志,李小雙,郭文兵.大傾角煤層工作面采場圍巖礦壓分布規律光彈性模量擬模型試驗及現場實測研究[J].巖石力學與工程學報,2010(S1):3336-3343.

[6] 曹建輝,劉華君.急傾斜薄煤層工作面采場應力及頂板垮落變形規律研究[J].中州煤炭,2015(2):45-48，52.

[7] 劉 杰.堅硬頂板薄煤層綜采開采采場礦壓規律研究[J].山西焦煤科技,2013(10):41-43.

Movement Regularity of the Overlying Strata Stope Advancing Direction of the Thin Coal Seam in North Coalfield of Yellow River

Jia Zhen Yuan Shaojie Zhang Guiyin

(Qixia Jinxing Mining Co.,Ltd.)

Based on FLAC3Dsoftware,taking the certain mine in the north coalfield of Yellow river as the study example,which is characterized by slow inclined coal seam.The numerical simulation analysis of movement and failure regularities of the overlying strata stope advancing direction is conducted,the distribution regularity of the abutment pressure under the condition of mining conditions of thin coal seam is discussed,besides that,the applicability of the dynamic model of stope advancing direction of medium-thickness coal seam and thick coal seam in thin coal seam is verified.

Numerical simulation,Slowly inclined,Thin coal seam,Advancing direction,Abutment pressure

2016-08-31)

賈 珍(1976—)，男，工程師，碩士，265300 山東省棲霞市霞光路170號。