王建華

(黑龍江東北煤炭礦山設(shè)備租賃公司，哈爾濱 150027)

長(zhǎng)青煤礦6#煤層頂煤冒放性數(shù)值模擬

王建華

(黑龍江東北煤炭礦山設(shè)備租賃公司，哈爾濱 150027)

為研究煤礦頂煤冒放性，基于長(zhǎng)青煤礦6#煤層煤巖物理力學(xué)參數(shù)，利用通用離散元程序(UDEC)建立工作面走向數(shù)值計(jì)算模型，分析工作面推進(jìn)距離對(duì)頂煤冒放高度的影響。結(jié)果表明:隨著工作面的推進(jìn)，頂煤屈服破碎高度增加，破碎、垮落范圍增大。當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)頂煤破壞范圍和破壞形狀趨于穩(wěn)定，屈服破壞高度達(dá)到峰值9 m。由此，煤層冒放性較好，可以采用一次采全高綜采放頂煤開采方法。該研究為長(zhǎng)青煤礦6#煤層放頂煤開采生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

頂煤冒放性;長(zhǎng)青煤礦;冒放高度;數(shù)值模擬

頂煤冒放性是支架前移后頂煤在礦山壓力和支架共同作用下垮落并被放出的特性，它是度量頂煤垮落、放出難易程度的重要參數(shù)［1］，也是確定放頂煤開采工藝的重要依據(jù)之一。綜放采場(chǎng)的頂煤冒放性受煤層地質(zhì)賦存條件和開采技術(shù)［2－8］兩因素影響，其中，地質(zhì)賦存因素具有客觀決定性［9］。因此，開展考慮地質(zhì)賦存因素的頂煤冒放性研究具有重要意義。

通用離散元程序(universal distinct element code，UDEC)是一個(gè)處理非連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，可以模擬非連續(xù)介質(zhì)(如巖體中的節(jié)理、裂隙等)在靜載或動(dòng)載作用下所產(chǎn)生的響應(yīng)。該程序以離散塊體的集合體表示非連續(xù)介質(zhì)，可以模擬不連續(xù)地質(zhì)界面可能出現(xiàn)的典型特性。為此，筆者借助UDEC程序?qū)﹂L(zhǎng)青煤礦6#煤層頂煤冒放性進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為該礦的放頂煤開采提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

長(zhǎng)青煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗府所在地南部17 km、沙圪堵鎮(zhèn)東27 km處，行政區(qū)劃隸屬鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)。井田內(nèi)可采煤層為4、5、6、9#煤層，首采煤層為4#煤層和6#煤層，其中，6#煤層為綜采放頂煤層。該煤層裂隙較發(fā)育，屬半堅(jiān)硬煤層。其頂?shù)装鍘r石的巖性為灰黑色、深灰色砂質(zhì)泥巖，灰白色粗粒砂巖夾細(xì)粒砂巖泥灰?guī)r及粉砂巖等，煤層厚度變化不大，總體由東北向西南變薄，變異系數(shù)為26%。自然厚度為7.04～ 20.77 m，平均為12.70 m;儲(chǔ)量利用厚度為5.73～16.82 m，平均為11.09 m。煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含0～12層夾矸，其中，上部的2層夾矸比較穩(wěn)定，中部夾矸較多，但不穩(wěn)定，夾矸總厚度平均為1.58 m，巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型

長(zhǎng)青煤礦6#煤層頂板巖石物理特性如表1所示。根據(jù)表1建立工作面走向模型，如圖1所示，模型范圍為150.0 m×75.1 m，模擬煤層厚度取12.7 m。

表1 6#煤層頂板巖石物理特性Table 1 Physical characteristics results of 6#coal roof rock

圖1 工作面走向模型Fig.1 Model of moving towards face

計(jì)算模型邊界條件:模型左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移量為零;底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移量均為零;頂部為自由邊界。

根據(jù)金尼克理論，地殼中任意一點(diǎn)的垂直應(yīng)力σv=γh，計(jì)算得到模型上部邊界所受垂直應(yīng)力σv= 5.91 MPa，水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的1.5倍。根據(jù)計(jì)算，工作面模型兩側(cè)施加5.93～7.61 MPa的梯度應(yīng)力，頂部施加5.91 MPa載荷，垂直方向設(shè)定自重載荷。UDEC計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 UDEC計(jì)算模型Fig.2 UDEC computation model

2.2 結(jié)果分析

模擬過程中工作面控頂范圍取4 m，回采高度選定3.5 m，以循環(huán)進(jìn)度0.8 m逐次開挖(回采)，觀測(cè)頂煤應(yīng)力(壓裂效應(yīng))及位移變化情況。模擬結(jié)果見圖3。

圖3 不同推進(jìn)距離時(shí)的頂煤冒放高度Fig.3 Caving height of top coal when it is propelled different meters

由圖3可以看出，工作面推進(jìn)4 m(5個(gè)循環(huán))時(shí)，頂煤出現(xiàn)初次破壞，屈服破碎高度約為3 m，破碎范圍較小;工作面推進(jìn)8 m時(shí)，頂煤破壞范圍增大，屈服破碎高度約為9 m;工作面推進(jìn)12 m時(shí)，頂煤出現(xiàn)初次垮落，屈服破碎高度為9 m，垮落范圍較小;工作面推進(jìn)16 m時(shí)，頂煤出現(xiàn)較大范圍的垮落，屈服破碎高度仍為9 m;工作面推進(jìn)20 m時(shí)，其上部9 m范圍內(nèi)的頂煤全部發(fā)生屈服破壞以致離層垮落，變形破壞范圍和破壞形狀趨于穩(wěn)定。由圖3也可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，頂煤內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，頂煤一定高度范圍內(nèi)的煤體發(fā)生屈服破壞(壓裂)。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂煤發(fā)生屈服破碎的范圍和垮落角也隨之?dāng)U大，即冒放范圍越來越大?？梢?，該煤層頂煤冒放性較好，冒放高度達(dá)到了9 m，可以采用一次采全高綜采放頂煤開采方法。

3 結(jié)論

(1)隨著工作面的推進(jìn)，長(zhǎng)青煤礦6#煤層頂煤屈服破碎高度增加，破碎和垮落范圍增大。當(dāng)工作面推進(jìn)20 m時(shí)，頂煤變形破壞范圍和破壞形狀趨于穩(wěn)定，屈服破壞高度達(dá)到峰值9 m。

(2)該煤層冒放性較好，冒放高度達(dá)到了9 m，可以采用一次采全高綜采放頂煤開采方法。

［1］常勇鐘，馬俊楓.復(fù)雜煤層綜放工作面高產(chǎn)高效優(yōu)化研究［J］.煤炭技術(shù)，2009(12):63－65.

［2］曲民強(qiáng)，康天合，靳鐘銘，等.頂煤冒放性及其預(yù)測(cè)分類研究［J］.焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(2):19－26.

［3］錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［4］CHAI JING，SU PUZHENG，LIU JIN’AN.Study on simulation experiment of equivalent material applind in coal mine［J］.Journal of Coal Science＆Engineering，1998(1):45－50.

［5］靳鐘銘，魏錦平，靳文學(xué).放頂煤采場(chǎng)前支承壓力分布特征［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32(3):216－218.

［6］張克濤.煤層特征對(duì)綜采放頂煤工藝的控制作用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2001(2):19－20.

［7］富 強(qiáng)，吳 健，陳學(xué)華.綜放開采松散頂煤落放規(guī)律的離散元模擬研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999(6):571－573.

［8］富 強(qiáng)，吳 健.放頂煤開采頂煤變形的膨(碎)脹率分區(qū)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001(4): 519－521.

［9］靳鐘銘.放頂煤開采理論與技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

Numerical simulation of top coal caving to 6# coal seam in Changqing mine

WANG Jianhua
(Heilongjiang Coal Mining Equipment Rental Company in Northeast，Harbin 150027，China)

Aimed at investigating top coal caving of coal mine，based on physical and mechanical parameters of 6#coal seam in Changqing coal mine，this paper introduces the use UDEC of to develop face trend numerical model and analyze the influence of face-promoting distance on top coal caving height.The results shows that the advancing face results in the increasing yield and broken height of top coal of the coal seam and increasing range of caving and broken range.20 m advance tends to stabilize damage extent and damage shape，with consequent 9 m yield and broken height.The better caving of the coal seam allows mining method of comprehensive caving to be used.The study provides a theoretical basis for caving of 6#coal seam in Changing coal mine.

top coal caving;Changqing coal mine;caving height;numerical simulation

TD823

A

1671－0118(2011)04－0277－03

2011－06－27

王建華(1955－)，男，山東省諸城人，高級(jí)工程師，研究方向:礦山壓力與控制，E-mail:cuidawen2002@163.com。

(編輯荀海鑫)