不同充填率下煤層頂板應力分布特征研究

段樹成

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司,山西 臨汾 041204)

不同充填率下煤層頂板應力分布特征研究

段樹成

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司,山西 臨汾 041204)

以陽城煤礦7302工作面為地質背景,研究在不同充填率的情況下,煤層頂板應力分布特征,采用的充填材料為膏體充填,利用FLAC3D數值仿真軟件,模擬充填率分別為60%、70%、80%和90%時煤層采動頂板垂直應力的分布特征, 為研究深部煤層頂板采動破壞變形提供一定的理論依據。

充填率;煤層底板;垂直應力

1 FLAC3D數值模型建立

根據陽城煤礦7302工作面地質條件,建立數值計算模型,見圖1。模型中煤層距上邊界距離為60 m,距下邊界距離為38 m。因此本模型大小為190 m×190 m×100 m(長×寬×高),工作面長100 m,兩側各留45 m煤柱,模擬工作面走向長度為110 m,前后各留40 m煤柱。因煤層埋深為684.3 m,將所有頂板巖層簡化為均布載荷8.82 MPa加在模型的上邊界。模型側面和底面限制移動,計算中煤巖采用彈塑性本構模型,屈服準則采用Mohr-coulumb準則。煤層頂底板巖層巖石力學參數,如表1所示。

表1 煤層頂底板巖性參數

圖1 三維數值計算模型Fig. 1 3D numerical calculation model

2 不同充填率下的頂板采動垂直應力分布特征

為研究不同充填率下的頂板采動垂直應力分布特征,假定充填膏體強度F=0.61(t-0.357)0.3。本次研究中充填率的參數變量分別為60%、70%、80%和90%。基于FlAC3D數值模擬軟件,得出不同充填率下的頂板采動垂直應力分布云圖,見圖2。

2-a 充填率為60%

2-b 充填率為70%

2-c 充填率為80%

2-d 充填率為90%圖2 不同充填率下的垂直應力云圖Fig. 2 Vertical stress contour plot at different filling rates

由圖2可以看出:采空區頂板垂直應力大小自下而上逐級遞減,呈分層分布。工作面回采過程中,不同充填率的垂直應力分布范圍是不斷變化的,隨著充填率的增大,采空區頂板應力釋放程度逐漸減弱,當充填率60%時,采空區頂板應力釋放程度較為明顯,此時垂直應力峰值較大為45.5 MPa,之后隨著充填率的增大,當充填率70%時,垂直應力峰值為37.1 MPa,采空區頂板應力釋放程度變化較小;當充填率80%時,采空區頂板應力釋放程度較弱,此時垂直應力峰值為29.5 MPa;之后隨著充填率的增大,當充填率為90%時,垂直應力峰值較小為28 MPa,采空區頂板應力釋放程度基本不變。可見,當充填率為60%和70%時,采空區頂板受采動影響較大,充填率大小對采空區頂板垂直應力的影響較為顯著;當充填率為80%和90%時,采空區頂板受采動影響較小,充填率大小對采空區頂板垂直應力的影響不大,不同充填率時的覆巖沉降位移和垂直應力演化規律如表2所示。

表2 不同充填率時的覆巖沉降位移和垂直應力演化規律表Table 2 Evolution of overlying strata sedimentation displacement and vertical stress at different filling rates

由表2可以看出,當充填率變化幅度為10%時,采空區頂板垂直應力峰值變化幅度高達20.5%。充填率越高,覆巖沉降位移越小,垂直應力越小,當充填率達到80%時,隨著充填率的再次增加,覆巖沉降位移和垂直應力趨于穩定。可見,充填率是覆巖沉降位移的主控參數,當采空區充填率為80%時,工作面在保證安全開采的前提下,可以大幅度降低礦區的充填成本。

3 結束語

通過對采空區的不同充填率的充填效果進行分析可以看出,膏體充填開采對煤層頂板的控制效果十分明顯,不同的充填率對煤層頂板的控制效果是不同的,充填率越高效果越好,但是當充填率達到80%后,頂板的應力變化就趨于平緩,達到最佳充填效果,考慮到充填率越高,煤礦生產成本越大。綜上所述,在煤礦充填開采過程中,充填率在80%左右時,充填效果和經濟效果最佳。

[1] 王猛,牛譽賀,代連朋,等.似膏體充填開采工業廣場保護煤柱后地表移動變形分析[J].中國地質災害與防治學報,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,施龍青,于小鴿,等.似膏體充填開采防止高承壓底板水突出研究[J].采礦與安全工程學報,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] 陳紹杰,郭惟嘉,周輝,等.條帶煤柱膏體充填開采覆巖結構模型及運動規律[J].煤炭學報,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] 劉志鈞.煤矸石似膏體充填開采技術研究[J].煤炭工程,2010(3):29-31.

[5] 蔣昊良.岱莊煤礦承壓水上膏體充填開采技術研究[D].徐州:中國礦業大學，2005.

(編輯: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

段樹成(1988-),男,山西平順人,大學本科,助理工程師,從事煤礦生產管理工作。