大倾角煤层安全高效开采技术研究进展.pdf

第 24 卷第 2 期 2013 年 6 月 中国地质灾害与防治学报 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Vol． 24No． 2 Jun． 2013 煤柱对下层煤层开采影响的数值分析 唐治， 潘一山， 郑文红， 杨月， 阎海鹏 辽宁工程技术大学力学与工程学院， 辽宁 阜新123000 摘要 为得出煤柱对下层煤层开采的影响规律， 采用有限元分析软件 ANSYS 对煤柱下方煤层开采模拟分析。得出煤 柱下方煤层为应力升高区; 随工作面推进距离的增加， 工作面前方应力升高区的应力值增加; 开采煤柱下方煤层时， 工作面前方会形成双重应力升高， 易发生动力灾害， 应加强支护。并确定了煤柱对下煤层的影响范围。这为巷道选 择合理支护形式和支护参数提供了依据， 对实现煤层安全开采有一定的意义。 关键词 煤柱; 数值模拟; 应力集中 文章编号 1003- 8035 2013 02-0083-04中图分类号 TD823 文献标识码 A 收稿日期 2012- 12- 24; 修订日期 2013- 00- 00 基金项目 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 973计 划 2010CB226803 ; 国家自然科学基金青年项目 51204090 作者简介 唐治 1979 ， 男， 博士研究生， 主要从事矿山灾 害力学研究工作。 E- mail tangzhi0127163． com 0引言 矿井高应力环境会导致冲击地压、 巷道围岩非 线性大变形等诸多工程地质灾害［1 －4］。在煤层开 采过程中如果留有煤柱， 那在煤柱下方的煤层会形 成应力升高区。为了使煤柱下方煤层选择合理支 护形式和支护参数， 实现安全生产。就需要了解煤 柱对下层煤层的影响范围及下层煤层的应力情况。 数值模拟计算可以考虑多种影响因素， 进行多方案 的比较， 在参数的选择分析中更具有明显的优势。 目前， 许多学者对应力场的数值模拟做了大量的 研究［5 －10］。 某煤矿现要对 13 槽煤层进行开采。由于受上 层 14 槽煤层所留煤柱影响， 煤层推进到煤柱下方 时， 煤体应力增大， 可能会造成冲击地压等灾害发 生。所以用 ANSYS 软件对煤柱下方煤层工作面推 进进行了模拟［11 －13］， 得出煤层推进过程中应力场 的变化规律。为 13 槽煤层选择合理支护形式和支 护参数提供依据， 对实现煤层安全开采有一定的 意义。 1模型建立及参数选取 根据煤层柱状图、 剖面图建立了 2 个计算模型， 模型 1 图 1 用来计算 13 槽煤层在煤柱影响下没采 时的应力大小; 模型 2 图 2 用来计算工作面推进过 程中的应力变化规律。模型说明如下 1 2 个模型长、 高均分别为 286m、 140m。 2 2 个模型均分 7 个煤岩层， 从上至下分为细 砂岩、 砂岩、 14 槽煤、 砂质、 13 槽煤、 砂质、 灰岩。煤岩 力学参数如表 1 所示。 3 2 个模型底部均为固定约束边界， 两侧均为 X 方向位移约束。顶面考虑为均布载荷即上覆岩层 重量， 所设模型上边界距地表的平均累深为 400m， 模 型顶面受铅直地应力 10MPa， 并考虑整个模型体的 自重。 图 1有限元模型 1 Fig. 1Finite element model 1 图 2有限元模型 2 Fig. 2Finite element model 2 DOI10.16031/ki.issn.1003-8035.2013.02.014 84 中国地质灾害与防治学报 ZHONGGUO DIZHIZAIHAI YU FANGZHI XUEBAO2013 年 表 1煤岩力学参数 Table 1Coal mechanical parameters 岩性 粘聚力 MPa 内摩擦 角 弹性模 量 GPa 泊松 比 容重 kg m －3 细砂岩4. 223429. 320. 272700 砂岩2. 353726. 270. 252580 13 槽煤0. 57 393. 460. 241455 14 槽煤0. 58 393. 470. 241455 灰岩5. 303615. 230. 212640 2计算结果分析 ANSYS 软件的其中一个功能为单元的生死， 即 如果模型中加入 或删除 材料， 模型中相应的单元 就 “存在” 或“消亡” ， 本功能主要用于钻孔 如开 矿和挖隧道等 ， 建筑物施工过程 如桥梁的建筑过 程 ， 顺序组装 如分层的计算机芯片组装 等。文中 就利用了单元的生死来模拟煤层的开采。 2. 1煤层原岩应力分析 图 3、 图 4 分别为 13 槽煤层在煤柱影响下没采 时的垂直应力分布和水平应力分图。 图 3煤层垂直应力云图 Fig. 3Vertical stress cloud of coal 由图 3 可见 1 在离煤柱较远位置的 13 槽煤层的原岩垂直 应力大小约为 16. 3MPa。 2 在煤柱下方附近的 13 槽煤层垂直应力较 高， 大小约为 36. 3MPa， 垂直应力集中系数为 2. 23。 3 煤柱对下煤层的影响范围为煤柱左侧 20m 到煤柱右侧 25m， 煤柱左侧对下煤层开采的影响范围 小于煤柱左侧对下煤层开采的影响范。 由图 4 可见 1 在离煤柱较远位置的 13 槽煤层的原岩水平 应力大小约为 8. 73MPa。 2 在煤柱下方附近的 13 槽煤层水平应力较 图 4煤层水平应力云图 Fig. 4Horizontal stress cloud of coal 高， 大小约为 38. 4MPa， 水平应力集中系数为 4. 39。 2. 2工作面推进过程中应力分析 模拟计算从距离模型 2 左侧边缘 40m 处的 13 槽煤开挖， 开切眼长度为 5m， 煤层从左到右开采， 只 列出 13 槽煤工作面推进到 40m、 80m 处的垂直应力 分布情况和水平应力分布情况， 如图 5 ～8 所示。 图 5工作面推进 40m 处垂直应力云图 Fig. 5Vertical stress cloud of the 40m mining face 图 6工作面推进 80m 处垂直应力云图 Fig. 6Vertical stress cloud of the 80m mining face 由图 5 ～6 可见 1 工作面前方 0 ～ 10m 为垂直应力降低区， 工 作面前方 10 ～40m 为垂直应力升高区。工作面后方 第 2 期唐治， 等 煤柱对下层煤层开采影响的数值分析85 为垂直应力降低区。 2 随工作面推进距离的增加， 工作面前方垂直 应力升高区的应力值增加。 图 7工作面推进 40m 处水平应力云图 Fig. 7Horizontal stress cloud of the 40m mining face 图 8工作面推进 80m 处水平应力云图 Fig. 8Horizontal stress cloud of the 80m mining face 由图 7 ～8 可见 1 工作面前方 0 ～ 10m 为水平应力降低区， 工 作面前方 10 ～40m 为水平应力升高区。工作面后方 为水平应力降低区。 2 随工作面推进距离的增加， 工作面前方水平 应力升高区的应力值增加。 通过对模型 1、 2 的模拟分析可得出 煤柱下方煤 层本来就处于应力升高区， 随工作面推进， 工作面前 方又形成应力升高区。所以， 在推进煤柱下方的工作 面时， 工作面前方就形成双重应力升高。 3结论 1 煤柱下方煤层为应力升高区， 垂直应力集中 系数为 2. 23， 水平应力集中系数为 4. 39。 2 随工作面推进距离的增加， 工作面前方应力 升高区的应力值增加。 3 推进煤柱下方的工作面时， 工作面前方会形 成双重应力升高， 易发生动力灾害。所以在推进煤柱 下方的工作面时需要加强支护强度。 4 确定了煤柱对下煤层的影响范围。 煤柱下方工作面推进模拟得出的应力分布规律， 为 13 槽煤层巷道选择合理支护形式和支护参数提供 依据， 对实现煤层安全开采有一定的意义。 参考文献 ［1］ 王卫军， 侯朝炯， 柏建彪， 等． 综放沿空巷道底板受力 变形分析及底鼓力学原理［J］ ． 岩土力学， 2001， 22 3 319 －322． WANG Weijun，HOU Chaojiong，BAI Jianbiao，et al． Mechanical deation analysis and principle of floor heave of roadway driving gob in fully mechanized sub- level caving face［ J］ ． Rock and Soil Mechanics， 2001， 22 3 319 －322． ［2］ 吴健， 陆明心， 张勇， 等． 综放工作面围岩应力分布的 实验研究［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2002， 21 增 2 2356 －2359． WU Jian， LU Mingxin， ZHANG Yong，et al． Simulation research on stress distribution of surounding rocks of LTCC workface［J］ ． Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2002， 21 Suup． 2 2356 －2359． ［3］ 潘一山， 李忠华， 章梦涛． 我国冲击地压分布、 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pillar on the lower coal seam mining TANG Zhi，PAN Yi- shan，ZHENG Wen- hong，YANG Yue， YAN Hai- peng School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China Abstract In order to get the effective laws of coal pillar on the lower coal seam mining，the lower coal seam mining was simulated by using software ANSYS． Conclusions are drawn as followsthe seam below pillar is the stress increasing zone;as the face advanced distance increases，stress values of the stress increasing zone front of the working place increases;when it comes to mining coal seam below pillar，double stress increasing zone will be ed in front of the working place and the dynamic disaster is active in this place，the support strength should be strengthened and the influence scope of pillar on the lower coal seam should be determined． The study provides theoretic supports for the rational support and timbering parameter of the tunnel． it makes sense for safely mining． Key words pillar;numerical simulation;concentrating stress