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        采區(qū)煤柱受采動(dòng)影響應(yīng)力及破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究

        2020-01-17 06:47:34
        煤礦現(xiàn)代化 2020年1期
        關(guān)鍵詞:幫部塑性變形采區(qū)

        潘 帥

        (山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

        采區(qū)煤柱是否穩(wěn)定可靠直接關(guān)系到工作面回采巷道的穩(wěn)定性,是影響工作面能否順利將煤采出的關(guān)鍵因素[1]。由于一條采區(qū)煤柱多服務(wù)兩個(gè)回采工作面,受到二次采動(dòng)效應(yīng)的影響,煤柱兩幫會(huì)發(fā)生破壞,巷道變形嚴(yán)重會(huì)影響工作面回采設(shè)備的推進(jìn)[2],煤柱的片幫則危及工作人員的生命安全。因此,本文對(duì)采區(qū)煤柱受采動(dòng)影響下應(yīng)力及應(yīng)變動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,有助于更科學(xué)的設(shè)計(jì)煤柱參數(shù),防止煤柱失穩(wěn)所帶來的安全事故[3]。

        1 礦井概況

        經(jīng)坊煤礦11#煤位于為位于太原組中上部,煤層厚0~4.11m,平均1.1m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,層位較穩(wěn)定,埋深為115~127m。本文針對(duì)11#煤層首采工作面3-807綜采工作面寬和3-808綜采工作面煤柱進(jìn)行研究,簡(jiǎn)稱3-807/808煤柱。3-807工作面寬175m,采高為4m,煤柱寬度為45m。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖;底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖。11#煤及圍巖力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

        表1 11#煤及圍巖力學(xué)性質(zhì)表

        2 建立模型及模擬方案

        本文采用FLAC3D軟件對(duì)采區(qū)煤柱受采動(dòng)影響下應(yīng)力及應(yīng)變動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行了研究[4]。根據(jù)經(jīng)坊煤礦地質(zhì)條件建立模型,尺寸110m×300m×80m。工作面沿著Y軸進(jìn)行推采[5]。

        本文共設(shè)計(jì)兩種模擬方案。方案一:回采巷道形成后,模擬右側(cè)首采工作面回采。方案二:首采工作面回采結(jié)束后模擬左側(cè)工作面回采。如圖2所示。

        圖1 數(shù)值模型

        圖2 模擬方案

        3 煤柱應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律分析

        選擇在100m位置進(jìn)行垂直應(yīng)力和垂直應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。通過模擬得到單側(cè)及雙側(cè)開挖后工作面煤柱的垂直應(yīng)力及塑性變形區(qū)分布特征,分別如圖3、圖4所示。

        圖3 煤柱應(yīng)力分布曲線

        圖4 煤柱塑性變形區(qū)分布特征圖

        通過觀察圖3可知,工作面巷道形成后,原巖應(yīng)力受到破壞,煤柱兩側(cè)8m區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力升高區(qū),在煤壁邊緣位置達(dá)到峰值為14 MPa,煤柱6~64m區(qū)域應(yīng)力為12MPa。

        隨著煤柱右側(cè)工作面的開挖,煤柱右側(cè)應(yīng)力迅速增加,應(yīng)力分布總體呈單峰狀。煤柱右側(cè)4m區(qū)域應(yīng)力升高至27MPa,該區(qū)域由于受右側(cè)工作面開采擾動(dòng)已完全破碎,為塑性破壞區(qū)域。在距煤柱邊緣6m位置達(dá)到峰值40MPa,煤柱內(nèi)所受垂直應(yīng)力向左側(cè)依次遞減,在煤柱左側(cè)10m位置降低到最低12.7MPa。

        方案一完成后,模擬左側(cè)工作面回采。通過分析可知:模型開挖20m,對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力未產(chǎn)生影響;模型開挖60m,煤柱受工作面開挖影響,左側(cè)應(yīng)力小幅度增加,峰值為17.3MPa;模型開挖100 m,工作面開挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,煤柱受工作面超前應(yīng)力影響左側(cè)8m區(qū)域應(yīng)力進(jìn)一步升高,峰值為20.7MPa;模型開挖140 m,煤柱左側(cè)應(yīng)力急劇增加,峰值達(dá)到34.8MPa,這是由于兩側(cè)工作面煤體的采空導(dǎo)致頂板載荷完全集中于工作面煤柱導(dǎo)致的,此時(shí)煤柱破壞深度進(jìn)一步加深;模型開挖140~300 m階段,煤柱左側(cè)應(yīng)力緩慢增加,由于工作面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn),煤柱受到回采擾動(dòng)的影響逐漸減小,逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí),煤柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置垂直應(yīng)力呈對(duì)稱雙峰狀,峰值應(yīng)力為40MPa,煤柱中間為彈性內(nèi)核區(qū),應(yīng)力為19.6MPa。

        觀察圖4發(fā)現(xiàn),雙側(cè)工作面開挖后,由于工作面煤體采空,頂板垮落充填采空區(qū),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置頂部圍巖發(fā)生大面積的塑性變形。由于煤柱壓力的傳導(dǎo),巷道底板圍巖也發(fā)生塑性變形。煤柱在雙側(cè)工作面開挖后兩幫塑性變形深度大約6m,中間33m區(qū)域處于彈性狀態(tài),是煤柱的核心承載區(qū),兩側(cè)工作面采空后煤柱依然穩(wěn)定。

        4 煤柱幫部變形破壞規(guī)律

        為了更深入的研究煤柱幫部的變形破壞特征,分別選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)0、4、35 m位置監(jiān)測(cè)圍巖豎向及橫向位移,如圖5所示。

        圖5 煤柱幫部圍巖變形破壞規(guī)律

        煤柱在工作面開挖過程中,幫部圍巖變形大體可分為四個(gè)過程:

        1)變形緩慢增加(OA段)。工作面推進(jìn)距離為0~80 m,本階段由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn),受開采擾動(dòng)小,在此階段工作面的開采距離為,測(cè)點(diǎn)處煤柱受采動(dòng)影響較小,監(jiān)測(cè)圍巖豎向及橫向位移均緩慢增加,0m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移較4、35m監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增加較快,豎向位移最大達(dá)到13.4mm,橫向位移最大達(dá)到11.3mm。

        2)變形急劇增加(AB段)。工作面推進(jìn)距離為80~120 m,由于工作面回采通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,所有煤柱內(nèi)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向及橫向位移均急速增加,0、4、35 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的增長(zhǎng)速度依次遞減。0m位置測(cè)點(diǎn)豎向位移達(dá)到50mm,橫向位移達(dá)到71mm。4m位置測(cè)點(diǎn)豎向位移達(dá)到31.6mm,橫向位移達(dá)到51.3mm。35m位置測(cè)點(diǎn)豎向位移為10mm,橫向位移達(dá)到12.3mm。說明該階段煤柱在垂直應(yīng)力作用下幫部發(fā)生片幫,并且片幫深度逐漸加深。

        3)變形減速(BC段)。工作面推進(jìn)距離為120~240 m,由于工作面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn),因此本階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向及橫向位移增加逐漸減速,煤柱幫部的圍巖片幫情況得到緩解,片幫深度逐漸不再加深。

        4)變形穩(wěn)定(CD段)。工作面推進(jìn)距離為240~300 m,煤柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖不再受到工作面開采的影響,幫部圍巖到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),豎向及橫向位移均不再增加。

        5 結(jié) 論

        1)單側(cè)工作面開采后煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰狀分布,煤柱右側(cè)4m區(qū)域內(nèi)為塑性破壞區(qū),煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值位于距煤柱邊緣6m的位置達(dá)到40MPa,煤柱內(nèi)所受垂直應(yīng)力向左側(cè)依次遞減,在煤柱左側(cè)10m位置降低到最低12.7MPa。煤柱右側(cè)基本不受開采影響。

        2)左側(cè)工作面開挖過程中,煤柱左側(cè)垂直應(yīng)力逐漸增加,最終煤柱內(nèi)應(yīng)力呈對(duì)稱雙峰狀分布,峰值應(yīng)力達(dá)到40MPa,煤柱中間為彈性內(nèi)核區(qū),應(yīng)力為19.6MPa。

        3)雙側(cè)工作面開挖后,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置頂板、幫部、底板圍巖均發(fā)生塑性變形,其中頂部圍巖大面積垮落。煤柱兩幫塑性變形深度大約6m,中間33m區(qū)域?yàn)槊褐鶑椥詢?nèi)核,兩側(cè)工作面采空后煤柱依然穩(wěn)定。

        4)煤柱在工作面開挖過程中,幫部圍巖變形大體可分為四個(gè)過程。變形緩慢增加、變形急劇增加、變形減速、變形穩(wěn)定。其中工作面推進(jìn)距離為80~120 m,即變形急劇增加(AB段)為煤柱主要變形增加階段,也是煤柱片幫事故的多發(fā)階段。

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