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        數(shù)值模擬研究首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

        2012-11-17 05:27:34王存海
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2012年20期
        關(guān)鍵詞:泥巖采空區(qū)斷面

        王存海

        (神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金能煤業(yè)分公司生產(chǎn)技術(shù)科,寧夏 石嘴山 750004)

        1 地質(zhì)概況

        某工作面開采煤層為13-1煤層,總厚2.37~3.75m,平均2.88m,煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。直接頂為砂質(zhì)泥巖、13-2煤、泥巖、砂質(zhì)泥巖等,局部為細(xì)砂巖,平均厚度為6.4m。老頂為砂質(zhì)泥巖、中砂巖,厚度2.5~3.1m,平均厚度2.7m;直接底泥巖,厚度 3.57~4.85m,平均厚度 4.15m;老底為粉砂巖,厚度 2.55~3.7m,平均厚度3.05m。工作面推進(jìn)長度2122m,工作面長度為203m,工作面沿俯斜推進(jìn),東高西低,傾向SW,其煤層底板標(biāo)高為-579~-729m,地面標(biāo)高為+21.9~+22.5m。13-1煤層平緩,煤層傾角 0°~17°,平均 7°,距切眼 500m范圍內(nèi)傾角較大9~17°,平均11°左右。1141(3)工作面西至13-1煤采區(qū)大巷,東至13-1防水煤柱線,南鄰F161斷層,該工作面周圍均為未采區(qū)。工作面兩巷均采用矩形斷面,錨網(wǎng)支護(hù),斷面凈寬×凈高=5.0m×3.0m。特殊地段采用架棚、增設(shè)點(diǎn)柱等辦法加強(qiáng)支護(hù)。架棚支護(hù)參數(shù):半圓拱斷面,29U鋼棚,棚距600mm,寬×高=5.2m×4.05m。

        2 模型建立

        數(shù)值模型共有64375個(gè)單元格,模型總高度為98.4m,長度為300m,寬度為300m。模型上部邊界是應(yīng)力邊界條件,其余邊界是位移邊界條件,模擬煤層傾角為7°,工作面沿俯斜推進(jìn),模擬工作面平均采深為645.5m,工作面上覆巖層平均容重取24KN/m3,模型如圖1所示。

        圖1 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        回采工作面從開切眼推進(jìn)到初次來壓前,可以把整個(gè)采空區(qū)近似地視為一個(gè)橢圓,根據(jù)圓形孔兩側(cè)的支承壓力分布,可以推理沿工作面推進(jìn)方向的煤層內(nèi)形成支承壓力。在煤層內(nèi)根據(jù)切向應(yīng)力的大小,可將其劃分為三個(gè)區(qū)域,其一為減壓區(qū)B,即切向應(yīng)力比原始垂直應(yīng)力 要小的區(qū)域;其二為增壓區(qū)A,即比原始垂直應(yīng)力 要大的區(qū)域,一般可以取高于原始垂直應(yīng)力的5%作為分界處;其三為穩(wěn)壓區(qū)C,即切向應(yīng)力恢復(fù)到 的區(qū)域。在支承壓力區(qū)內(nèi)的煤層,由于承受強(qiáng)大的應(yīng)力,積聚大量的彈性變形能,當(dāng)工作面的推進(jìn)或在支承壓力區(qū)開掘巷道,則這些彈性能將全部釋放出來,從而表現(xiàn)出一系列的礦山壓力現(xiàn)象。

        對(duì)于三向受力情況下若處于彈性狀態(tài),則由于體積變化而積聚的應(yīng)變能為

        由于形狀的改變而積聚的彈性能為

        由以上兩式可知,隨著開采深度的增加,處于彈性狀態(tài)的巖層將積聚大量的應(yīng)變能,此能量與其賦存深度的平方成正比,此外,能量的積聚還受到應(yīng)力集中系數(shù)的影響。

        支承壓力常以其分布范圍,形式和峰值大小表現(xiàn)其顯現(xiàn)特征,在工作面推進(jìn)不同距離時(shí),工作面前方煤層內(nèi)支承壓力顯現(xiàn)特征,見表1。超前支承壓力顯著影響范圍取≥25.0MPa垂直應(yīng)力等值線的范圍,超前支承壓力影響范圍取≥20.0MPa垂直應(yīng)力等值線的范圍。

        表1 工作面前方煤層內(nèi)支承壓力分布情況

        工作面推進(jìn)不同距離時(shí),采空區(qū)周圍煤體內(nèi)垂直應(yīng)力分布,如圖1~圖2所示。在工作面推進(jìn)過程中,超前支承壓力隨工作面推進(jìn)不斷向前推移。沿工作面方向,在采空區(qū)兩側(cè)煤體內(nèi)形成固定支承壓力,它并不隨回采工作面推進(jìn)而發(fā)生明顯變化。在回采工作面推進(jìn)一定距離后,采空區(qū)的冒落矸石由松散狀態(tài)進(jìn)入壓實(shí)狀態(tài),此時(shí)采空區(qū)內(nèi)的最高應(yīng)力峰值,開始逐漸恢復(fù)到 。

        圖1 工作面推進(jìn)30m工作面前方煤層內(nèi)支承壓力分布

        圖2 工作面推進(jìn)200m工作面前方煤層內(nèi)支承壓力分布

        4 結(jié)語

        (1)通過數(shù)值模擬研究分析了首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律即:工作面超前支承壓力在工作面前方的分布規(guī)律,獲得了工作面推進(jìn)不同距離時(shí)工作面支承壓力影響范圍、支承壓力分布及支承壓力集中系數(shù)K值。在工作面推進(jìn)約100m后時(shí),工作面超前支承壓力最大應(yīng)力集中系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。在工作面前方約7.2~13.8m范圍內(nèi)形成最大集中應(yīng)力,約為35.8MPa,最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.11,超前支承壓力顯著影響范圍約為28m,超前支承壓力影響范圍約62m;

        (2)數(shù)值模擬結(jié)果為來壓期間頂板管理提供有效的參考。

        [1]袁和生.煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)[M].煤炭工業(yè)出版社.1997:157-192.

        [2]戴永浩,陳衛(wèi)忠,劉泉聲,等.深部高地應(yīng)力巷道斷面優(yōu)化研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(增 2):4960-4965.

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