姜鵬飛,林 健,張 劍,劉 勇

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

近距離煤層群開采在不同寬度煤柱中的能量分布

姜鵬飛,林 健,張 劍,劉 勇

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013)

以汾西礦區(qū)近距離煤層群開采為背景,采用 FLAC3D有限差分程序計(jì)算分析了煤層回采在不同寬度煤柱條件下頂?shù)装迕簬r體中的能量分布情況。研究結(jié)果表明,煤柱內(nèi)部及下部煤層中能量集中程度大于巖層中能量集中程度;隨著煤柱寬度的增加,煤柱及底板煤巖體能量集中系數(shù)逐漸減小,但能量分布范圍增大;煤柱寬度對(duì)煤柱內(nèi)部及下部煤巖體能量分布均勻程度有較大影響。研究成果在汾西礦區(qū)柳灣煤礦得到了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和應(yīng)用。

近距離煤層群;能量集中;均勻程度;數(shù)值模擬

1 概述

近距離煤層群在我國分布非常廣泛,儲(chǔ)量龐大。以汾西礦區(qū)為例,共有 9對(duì)主力礦井,有近距離煤層群開采的礦井有水峪煤礦、柳灣煤礦、高陽煤礦、中興煤礦、河?xùn)|煤礦和賀西煤礦。水峪煤礦開采 9號(hào)煤層和 10號(hào) -11號(hào)合并煤層。間距大約1m左右,均為主要開采煤層。柳灣煤礦主采 9號(hào)、10號(hào)和 11號(hào)煤層,9號(hào)煤和 10號(hào)煤層間距離大約1.3m,10號(hào)煤和 11號(hào)煤層間距離大約 1.2m。賀西煤礦主采 3號(hào)和 4號(hào)煤層,煤層間距基本都在5m上下,屬于近距離煤層群開采。

煤層開采引起回采空間圍巖的變形和應(yīng)力重新分布,在回采空間周圍的煤柱上形成集中應(yīng)力。煤柱發(fā)生變形或破壞,從而引起煤柱內(nèi)部的能量場(chǎng)發(fā)生改變,在煤柱內(nèi)部及附近煤巖體內(nèi)形成能量集中。尤其上部煤層回采后所形成的殘留煤柱中的能量集中將會(huì)向下部煤巖體中傳遞,從而引起下部煤巖層內(nèi)的能量改變。

由于礦區(qū)煤層的厚度及各煤層的間距由沉積環(huán)境和長期的地質(zhì)變化所形成,無法改變,大多數(shù)條件下只能改變煤柱的寬度來選擇巷道布置的位置。因此,研究不同寬度煤柱內(nèi)部的能量分布特征及在下部煤巖體中的能量傳遞規(guī)律,對(duì)于掌握下部煤巖層巷道的礦壓顯現(xiàn)特征,確定下部煤巖層巷道的合理位置和支護(hù)參數(shù)選擇具有一定的指導(dǎo)意義[1-4]。

本文以汾西礦區(qū)近距離煤層群開采為背景,針對(duì)近距離煤層群開采在留設(shè)不同寬度煤柱條件下建立數(shù)值模型,通過 FLAC3D數(shù)值模擬的方法,研究在不同寬度煤柱下,煤層回采在煤柱頂?shù)装迕簬r體中的能量分布規(guī)律。

2 力學(xué)模型及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)汾西礦區(qū)各礦井近距離煤層群開采深度,數(shù)值模型中選取所采煤層埋深為 300m,厚度為2m,分別模擬煤柱寬度為 12m,15m,20m,25 m,30m和 35m情況下,煤柱及頂?shù)装迕簬r體的能量分布情況。數(shù)值模型如圖 1。

數(shù)值計(jì)算選用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型,三維模型的邊界條件為：四周采用鉸支,底部采用固支,上部為自由邊界。根據(jù)對(duì)汾西礦區(qū)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果綜合評(píng)估,選取模型應(yīng)力條件為：垂直應(yīng)力 7.8MPa,最大水平主應(yīng)力為 8MPa,最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹45°W。

煤巖體物理力學(xué)參數(shù)如表 1。

圖1 三維模型網(wǎng)格

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

采用 FLAC3D軟件提供的二次開發(fā)語言 FISH,編制模型內(nèi)應(yīng)變能計(jì)算程序,進(jìn)而計(jì)算煤柱內(nèi)部及頂?shù)装迕簬r體能量場(chǎng)分布。兩側(cè)工作面回采后,不同寬度煤柱內(nèi)部及附近煤巖體能量場(chǎng)分布如圖 2。

圖2 不同寬度煤柱煤巖體能量密度分布

兩側(cè)工作面回采后,在煤柱內(nèi)部形成能量集中,能量集中系數(shù)隨著煤柱寬度的增加而減小,能量集中區(qū)域隨著煤柱寬度的增加而增大。當(dāng)煤柱寬度為 12m時(shí),最大能量密度值為 3.4MPa,煤柱下部巖層和煤層能量場(chǎng)相互疊加;當(dāng)煤柱寬度為 15m時(shí),最大能量密度值為 3.2MPa,煤柱下部巖層和煤層能量場(chǎng)疊加區(qū)域有少量減少;當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí),最大能量密度值為 2.6MPa,煤柱下部巖層和煤層能量場(chǎng)開始分離,但煤柱及下部各煤層內(nèi)部應(yīng)力集中仍較為明顯。當(dāng)煤柱寬度在 25m以上時(shí),最大能量密度值隨煤柱寬度的增加而逐漸較小,但減小幅度趨緩。

從煤柱下部煤巖層內(nèi)能量分布情況來看,工作面回采對(duì)煤柱下部煤體的能量變化影響遠(yuǎn)大于對(duì)巖體的能量變化影響,煤柱內(nèi)部及下部近距離煤層群中能量密度明顯大于巖層中能量密度。

煤柱寬度對(duì)煤柱及下部煤巖體能量均勻度有較大影響,煤柱寬度較小時(shí),煤柱及下部煤巖體能量集中系數(shù)都較大,能量分布相對(duì)均勻 (煤柱寬度12m和 15m),隨著煤柱寬度的增加,能量分布表現(xiàn)出較大的非均勻性 (煤柱寬度 20m和 25m),隨著煤柱寬度的繼續(xù)增加,煤柱下部煤巖體能量分布又逐漸變得均勻 (煤柱寬度 30m和 35m)。

4 井下應(yīng)用

煤巖體能量集中的區(qū)域在受到掘進(jìn)或采動(dòng)影響后,易發(fā)生煤巖體的大變形,甚至發(fā)生沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害。因此,近距離煤層群下部煤巖層巷道位置的選取應(yīng)盡量避開能量集中程度較大的區(qū)域。

汾西礦區(qū)柳灣煤礦上部 9號(hào)煤層采高 1.30m,中部 10號(hào)煤層采高 1.76m,層間距 1.30m。下部11號(hào)煤層平均采高 4.70m,10號(hào)煤層與 11號(hào)煤層層間距為 1.2m,煤層平均傾角 3°。

柳灣煤礦上部 9號(hào)煤層留設(shè) 20m的護(hù)巷煤柱,能夠形成穩(wěn)定煤柱。根據(jù)對(duì)柳灣煤礦 9號(hào)煤層開采后煤柱在 10號(hào)煤層和 11號(hào)煤層中的能量傳遞規(guī)律和能量分布特征數(shù)值模擬結(jié)果,選擇下部 11號(hào)煤層開采巷道內(nèi)錯(cuò)距為 2.5m,下部 11號(hào)煤層區(qū)段煤柱凈寬度為 25m。該布置方式能錯(cuò)開上部 9號(hào)煤層開采在下部煤層中形成的最大能量集中區(qū)域。具體布置方式如圖 3。

柳灣煤礦 9號(hào)煤層下部 11號(hào)煤層巷道采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。選取 1103工作面材料巷作為試驗(yàn)巷道,該巷道掘進(jìn)期間巷道變形情況如圖 4。

圖3 柳灣煤礦 9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)煤層上下煤層巷道布置

圖4 掘進(jìn)期間巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

掘進(jìn)期間,巷道頂?shù)装逡平繛?143mm,兩幫移近量為 167mm,整個(gè)巷道變形控制效果良好。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)汾西礦區(qū)近距離煤層群開采現(xiàn)狀,通過數(shù)值計(jì)算的方法得出了不同寬度煤柱內(nèi)部及附近煤巖體的能量分布特征與傳遞規(guī)律。

(2)近距離煤層群上部工作面回采后,煤柱及下部近距離煤層中能量集中程度大于巖層中能量集中程度。隨著煤柱寬度增加,煤柱及底板煤巖體能量集中系數(shù)逐漸減小,但能量分布范圍增大。

(3)不同寬度煤柱對(duì)應(yīng)煤柱及下部煤巖體能量分布均勻性不同,煤柱寬度較小時(shí),煤柱及下部煤巖體能量集中系數(shù)都較大,能量分布相對(duì)均勻;隨著煤柱寬度的增加,能量分布表現(xiàn)出較大的非均勻性;隨著煤柱寬度的繼續(xù)增加,煤柱下部煤巖體能量分布又逐漸變得均勻。

(4)根據(jù)近距離煤層群煤柱下部煤巖體能量分布特征,以汾西礦區(qū)柳灣煤礦為試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行近距離煤層群下部煤層巷道位置和支護(hù)方式的選擇,試驗(yàn)結(jié)果表明,巷道整體變形量較小,巷道穩(wěn)定性較好。

[1]武 忠,李日官 .極近距離煤層回采巷道布置研究 [J].煤礦開采,2002,7(4)：14-15.

[2]張百勝 .極近距離煤層開采圍巖控制理論及技術(shù)研究 [D].太原：太原理工大學(xué),2008：73-75.

[3]姜耀東,趙毅鑫,劉文崗,等 .煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究 [M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[4]胡艷峰 .近距離煤層群開采底板巷道圍巖控制技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué),2008.

[責(zé)任編輯：林 健 ]

Energy Distribution of Coal Pillars with Different-width in Mining Close Coal Seam s

JIANG Peng-fei,LIN Jian,ZHANG Jian,LIU Yong
(Coal Mining&Designing Department,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

Based on mining close coal-seams of Fenximining area,energy distribution of coal and rock under different pillar width in mining was analyzed by applying FLAC3D.Results showed that energy concentration degree of inner and below of coal pillar was larger than that of rock.With coal pillar width increasing,energy concentration coefficient of coal pillar and floor decreased gradually,but energy distribution range increased.Coal pillar width would influence even degree of energy distribution in coal pillar and below coal and rock body.The results were proved and applied in Liuwan Colliery of Fenximining area.

close coal-seams;energy concentration;even degree;numerical simulation

TD822.3

A

1006-6225(2011)01-0052-03

2010-09-14

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2008BAB36B07);天地科技股份有限公司科技發(fā)展基金 (青年技術(shù)創(chuàng)新)：基于地應(yīng)力測(cè)量的煤礦區(qū)域應(yīng)力的反演計(jì)算 (TZ-JJ-09-KC-3);天地科技股份有限公司研發(fā)項(xiàng)目 (TZ-GY-2010-KC-6)

姜鵬飛 (1984-),男,四川三臺(tái)人,碩士,從事巖石力學(xué)與巷道支護(hù)技術(shù)等方面的研究工作。