宋義華 謝小平 管育春 張權坤
摘 要:針對貴州高瓦斯煤層群安全高效開采的問題,據(jù)此盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面為現(xiàn)場依據(jù),選擇采用數(shù)值模擬軟件UDEC4.0來進行試驗,模擬煤層群在近距離條件下較薄煤層開采上保護層過程中煤層的頂?shù)装逶诿簬r層的破裂情況和移動規(guī)律,以及在隨著薄煤層上保護層開采工作面的推進,煤層下部的被保護煤層產生的位移變形和應力變化的分布特征,進而分析留煤柱和無煤柱開采時下覆煤巖層的卸壓效果。
關鍵詞:薄煤層;無煤柱開采;卸壓效果;數(shù)值模擬
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.088
1 工程概況
以設計生產能力為90萬t/年的貴州盛遠煤礦為例,貴州盛遠煤礦位于六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn),礦井的服務年限為79年。2號、4號、7號、8號、9號、11號煤層,這6層為可采及局部可采煤層。對貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層的40403工作面情況進行模擬試驗,工作面以400米為平均走向長度,118米為平均傾斜長度。主要開采盛遠煤礦4號較薄煤層,4號煤層的傾角在7°到11°之間,平均煤傾角在9°左右,為近水平煤層,,4號煤層的厚度在1.07米到2.47米之間, 平均煤厚在1.66米左右,容重為1.5t/m3,產狀比較穩(wěn)定,所受斷層的影響較小。4號煤層頂板則是以灰色泥巖或者以深灰色砂質泥巖為主的巖層,頂板的厚度約在0.25米到12.78米之間,一般平均在4.62米左右;底板則主要為灰色砂質泥巖或細砂巖,厚度在0到11.8米之間,一般平均在5.22米左右。
2 保護層開采卸壓效果數(shù)值模擬分析
2.1 模型建立
模型建立采用UDEC4.0數(shù)值模擬軟件來進行,盛遠煤礦4號煤層為現(xiàn)場地質條件,以盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面沿傾斜方向的剖面為原型來進行模擬開挖試驗,以此來建立煤巖層在縱向剖面上的數(shù)值模擬計算模型。工作面傾向模型長度是400米、寬度是100米,4號煤層平均厚度為1.07 米,平均煤層傾角9°,采高1.66米,直接頂平均厚度4.62 米,老頂平均厚度13.47 米,埋深340 米左右,對其施加8.1MPa的上覆巖層的自重載荷。
2.2 數(shù)值模擬方案設計
此次數(shù)值模擬計算模型的目的就是對比分析貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面在開采時,在留設不同寬度的區(qū)段煤柱和不留設區(qū)段煤柱這兩種情況下,根據(jù)上保護層工作面下部煤巖層所受的垂直位移變形規(guī)律和垂直應力變化規(guī)律的影響,從而推導得出留設寬度不同的區(qū)段煤柱和不留設區(qū)段煤柱開采時,盛遠煤礦4號煤層下部煤巖層的不同卸壓效果。故而設計出三種模擬方案:(1)在工作面開采時不留設區(qū)段煤柱;(2)在工作面開采時留設20米寬的區(qū)段煤柱;(3)在工作面開采時留設30米寬的區(qū)段煤柱。
2.3 卸壓效果分析
上保護層工作面下部煤層所受垂直位移變形情況(圖1所示)和垂直應力變化情況(圖2所示)。
數(shù)值模擬結果分析如下:
(1)下部煤層位移變形分析。當在上保護層工作面開采不留設煤柱的情況時,在工作面原來留設煤柱位置下方的7號、8號被保護層就發(fā)生了在縱向的膨脹變形,進而在工作面下部的7號、8號煤層最大縱向的膨脹變形率在2.03‰~2.13‰之間;而留設寬度20米的區(qū)段煤柱和30米的區(qū)段煤柱時,煤柱下方的7號、8號煤層的最大壓縮變形率約在5.82‰~7.78‰ 之間。
(2)下被保護層應力變化分析。根據(jù)數(shù)值模擬出的結果可以看出,當在上保護層工作面開采過程中留設寬度30米的區(qū)段煤柱時,在工作面留設煤柱下方的7號、8號煤層垂直應力分別為11.7MP、11.57MP,大約是原巖應力的1.44倍左右和1.43倍左右;則在開采時不留設區(qū)段煤柱,工作面原來留設煤柱位置下方的7號、8號煤層垂直應力分別為-2.94MP和-3.12MP,即貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層40403工作面在原來留設煤柱位置下方的7號、8號煤層消除了應力集中區(qū),實現(xiàn)了貴州盛遠煤礦4號較薄煤層上保護層工作面下部的7號、8號煤層全面卸壓,降低了下部煤層的突出危險性。
參考文獻:
[1]秦子晗,潘俊鋒,任勇.薄煤層作為保護層開采的卸壓機理[J].煤礦開采,2010(04):85-86.
[2]楊柳.上保護層開采卸壓數(shù)值模擬與保護效果考察[J].煤礦安全,2011(07):129-131.
[3]王金安,王樹仁,馮錦艷等.巖土工程數(shù)值計算方法實用教程[M].福建:科學出版社,2010.
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作者簡介:宋義華(1995-),男,貴州正安人,本科,研究方向:采礦工程。
*為通訊作者