不规则煤柱作用下工作面开采的三维数值模拟.pdf

第 3 1 卷第 2期 2 0 0 6年 4月 煤 炭 学 报 J OU RNAL 0F CHI N A C OAL S OC I E T Y Vo l _ 3 1 No ． 2 Ap r ． 2 0 0 6 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 6 0 2 0 1 3 7 0 4 不规则煤柱作用下工作面开采的三维数值模拟 郑百 生， 谢文 兵， 窦 林 名， 高明 仕 中国矿业大学 能源与安全工程学院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要通过对三河尖煤矿9 2 0 2工作面实际开采情况的模拟，分析了近距离煤层或煤层群开采 时，上部煤层开采后遗留的煤柱对下部煤层开采的影响．模拟显示下部煤层工作面推进到煤柱下 方时形成的应力集中远大于工作面超前支承压力和煤柱引起 的支承压力的简单叠加 ，形成的高应 力区极易引发诸如冲击矿压的矿井灾害；指出在近距离煤层或煤层群开采时，要合理布置工作面 的位置， 根据上部煤层开采的时空关系来合理布置下部煤层工作面的回采巷道，并尽量避免在煤 柱正下方采煤． 关键词近距离煤层或煤层群；应力集中；冲击矿压；三维数值模拟 中图分类号T D 8 2 3 ． 8 文献标识码 A 3 D s i mu l a t i o n o n c a v i n g o f f a c e a ffe c t e d b y i r r e g u l a r p i l l o r Z HEN G B a i - s h e n g ，X I E We n - b i n g ，DO U L i n - mi n g ，GAO Mi n g - s h i S c h o o l ofM i n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n iv e r s i t y ofM i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z hou 2 2 1 0 0 8 ， C h i na A b s t r a c t B a s e d o n t h e mi n i n g g e o l o g i c a l c o n d i t i o n o f a p r a c t i c a l l o n g - w al l m i n i n g p a n e l i n 9 2 0 2 f a c e ， S a n h e j i a n Mi n e，i n fl u e n c e o f p i l l a r r e ma i n e d a f t e r mi n i n g o f u p p e r c o a l s e a m t o t h e mi n i n g o f l o w e r c o al s e a m wa s a n aly z e d i n a d j a c e n t c o al s e a m．S t r e s s w h i c h i s h i g h e r t h a n t h e s u m o f t h e s u p p o r t s t r e s s e s c a u s e d b y p i l l a r a n d w o r k i n g f a c e w a s r e v e ale d b y me ans o f 3 D c o u p l e d n u me r i c a l mo d e l i n g ，an d r o c k b u r s t w i l l b e b r o k e o u t u n d e r t h e h i g h s t r e s s s i t u a t i o n ．R e a s o n a b l e l o c a t i o n o f t h e l o we r c o al s e a m’ S w o r k i n g f a c e a n d r a i l wa y s a n d a v o i d i n g mi n i n g u n d e r t h e p i l l ar w a s p o i n t e d o u t i n t h e a d j a c e n t c o a l s e a m s ． Ke y wo r d s a d j a c e n t c o a l s e a m s ； s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ；r o c k b u r s t ； 3 D s i m u l a t i o n 近距离煤层或煤层群开采在我国煤矿开采中占有很大的比重．近距离煤层开采中上部煤层自身开采的 问题不大，而上部煤层开采后残留的煤柱严重影响下部煤层的开采，经常导致下部煤层开采矿压显现明 显，并且诱发冲击矿压等事故． 深入分析煤柱特别是不规则煤柱在近距离煤层或煤层群开采过程中对下部煤层开采的影响，对下部煤 层回采巷道的合理位置的选择，工作面的推进速度的合理安排等意义重大．并且对于探寻由于煤柱影响导 致冲击矿压发生的机理有重大意义 J ． 1 地质条件 徐州矿务集团三河尖矿9 2 0 2 工作面位于井田西部，上部的7煤及 9 l 1 2工作面已回采结束．7 煤的护 收稿 日期 2 0 0 5- 0 8 1 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 4 9 0 2 7 3 ， 5 0 0 7 4 0 3 0 ；教育部博士点专项基金资助项目 2 0 0 3 0 2 9 0 0 1 7 作者简介郑百生 1 9 7 9 一 。男，安徽安庆人， 博士研究生．T e l 0 5 1 6 2 6 7 0 3 7 7 ，E m a i l b s h z h e n g 1 2 6 ． c o n 维普资讯 l 3 8 煤 炭 学 报 2 0 0 6 年第3 l 卷 巷煤柱距 9 2 0 2工作面轨道巷 1 3 m，7煤所留的煤柱处于9 2 0 2 工作面轨道巷上部， 距切眼 1 6 0 m ．9 2 0 2工 作面煤层厚度为 1 ． 4 0．一 3 ． 6 6 m，平均厚度 2 ． 2 m，采煤工作面倾角 1 l ～ 2 8 。 ，平均为2 2 。 ，工作面倾斜长 度为 1 5 0 m， 走向长度为7 5 0 m 图 1 为9 2 0 2工作面模型边界示意图，图2为岩层综合柱状图 ．主采煤 层为7煤和9煤，开采深度已达 一 7 0 0 m以下，冲击矿压的危险性越来越大，其中9 2 0 2 工作面为高冲击 危险区域，其开采深度已达 一 8 5 0 m，上覆有 7煤7 2 0 2 工作面残留的主要有如图 1 所示的煤柱 1 ～ 3 ，在 3 个煤柱的共同作用下， 9 2 0 2 工作面推进过程中，应力集中程度相当严重． 图 1 9 2 0 2工作面模型边界 F i g ． 1 Mo d e l b o u n d a r y s k e t c h ma p o f 9 2 0 2 w o r k i n g f a c e 2 数值模拟模型 2 ． 1 数值模拟软件 岩 性 柱状 厚度／ m 黏 j 、粉砂岩 4 0 ． 0 砂岩 l 0 ． 0 中粗砂岩 3 0 0 砂岩 1 5 ．0 泥岩粉细砂岩 5 ． 0 r { 1 细砂岩 1 4 0 粉砂岩 3 ．0 7煤 1 ． 8 粉砂岩 3 ．0 泥 岩 ， ＼ 0 ． 5 中砂 岩 9 ． 0 粉砂 岩 ． ＼ 1 ． 6 Ⅲ } 1 砂 岩 9 3 粉砂泥岩 1 ． 2 9煤 2 2 泥 岩 0 9 粉 细 互 层 0 ． 5 细砂岩 8 1 图2 岩层综合柱状图 F i g ． 2 Hi s t o g r a m o f t h e w o r k i n g f a c e 运用美国明尼苏达大学和美国 I t a s c a C o n s u l t i n g C r o u p i n c ．开发的三维有限差分计算机程序 F L A C 如 f a s t L a g r a n g i a n a n a l y s i s o f c o n t i n u a i n 3 d im e n s io n s ．F L A C 主要适用于模拟计算地质材料和岩土工程的力 学行为，特别是材科达到屈服极限后产生的塑性流动，材料通过单元和区域表示，根据计算对象的形状构 成相应的网格．每个单元在外载和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力 一 应变关系产生力学响 应． F L A C 如 程序中包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功能，可计算地质类材料的高度非线性 包 括应变硬化／ 软化 、不可逆剪切破坏和压密、黏弹 蠕变 、孔隙介质的应力 一 渗流耦合、热 一 力耦合以 及动力学行为等．F L A C 叩 程序主要是为岩土工程应用而开发的岩石力学计算程序，可以模拟所有的岩土 工程力学问题． 2 ． 2 数值模拟模型与岩石力学参数 根据三河尖矿井现场的实际条件，建立如图3所示的立体模 型．模型底边界垂直位移固定，左右边界水平方向位移固定． 各岩层力学性质根据实际情况而定 ， 见表 1 ．材料本构模型为摩 尔 一库仑模型． 三维计算过程模型生成一原岩应力计算7 号开采与9号 巷道开挖一计算稳定9 号分步开采一各步计算平衡一计算结果 输出．其中模型由1 0 5 7 3 0 个块体、1 1 6 4 5 9个节点组成，在 平面内的划分情况如图4所示，在 Y 方向上，考虑到开挖的需 要，均匀划分， Y 方向长度3 2 0 m，划分为 8 0个块．在 x o y 平面 内由以上两个方向拟合， 块体尺寸比例符合软件要求． 图3 三维数值模拟立体模型 F i g ． 3 3 D n u me r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s mo d e l 维普资讯 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 6 年第3 1 卷 图6 工作面推进 1 8 0 m 煤柱正下方 时垂直应力的立体分布 F i g ． 6 Ve r t i c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n s t e r e o p i c t u r e wh e n w o r k i n g f a c e a d v a n c i n g 1 8 0 i n u n d e r t h e p i l l a r 图7 工作面推进 2 0 m 距离煤柱前方8 0 m 时垂直应力的立体分布 F i g ． 7 V e rti c a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n s t e r e o p i c t u r e wh e n wo r k i n g f a c e a d v a n c i n g 2 0 r f l i n t h e f r o n t o f t h e p i l l a r 为4 6 ．由于受采空区影响，而在除去煤柱影响外的其他地方为应力降低区，或为原岩应力区． 比较图6 ，7可以看出，在工作面推进到煤柱 1 下方以后，在煤柱下方的煤层中，应力集中程度急剧 增加，由原来的 1 0 G P a 上升到3 0 G P a ，此时的应力不是煤柱产生的支承压力和工作面产生的超前支承压 力的简单叠加．另外，模型左边界的应力比中间的要高，原因是 7 煤工作面中间位置已经压实，把上覆岩 层的自 重传递到9煤中．实际上 ， 9 2 0 2 工作面材料道就布置在这个位置，所以矿压显现比较明显．如果 材料道再向煤柱方向移动2 O一 3 0 m，则巷道刚好处在煤柱集中应力影响范围之外，上部煤层开采后的应 力降低区内，有利于巷道的维护． 4 结 语 在近距离煤层或煤层群开采过程中，一定要合理布置下部煤层开采工作面和回采巷道的位置，尽量避 免在煤柱正下方采煤，特别是尺寸比较大的煤柱下方采煤．在煤柱和工作面超前支撑压力的共同作用下， 应力集中程度远远超过两者的简单叠加，在有冲击倾向的煤层中，容易引发冲击地压等矿井事故．另外下 部煤层工作面开采尽可能和上部煤层开采的时间接近，这样可以使得下部煤层在采空区应力降低区内推 进，保证采煤过程的安全性与回采巷道的维护． 参考文献 [ 1 ] 陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制 [ M] ． 徐州中国矿业大学出版社，1 9 9 4 ．1 5 1 2 9 ． [ 2 ] 窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术 [ M ] ． 徐州中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 1 ．1 8 9 6 ． [ 3 ] I t a s c a C o n s u l t i n g G r o u p I n c ．F L A C 3 D F a s t L a g r a n g i a n A n al y s i s o f C o n t i n u a V e r s i o n 2 ． 0 [ R ] ． 2 0 0 0 ． [ 4 ] 彭苏萍，王金安． 承压水上采煤 [ M] ． 北京煤炭工业出版社 ， 2 0 0 1 ．6 1 7 5 ． [ 5 ] 张金才，张玉卓 ，刘天泉． 岩体渗流与煤层底板突水 [ M] ． 北京 地质出版社，1 9 9 7 ． [ 6 ] 谢文兵， 史振凡，陈晓祥．工作面开采对底板岩巷稳定性的影响 [ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 4 ，3 3 1 8 2 ～ 8 5 ． [ 7 ] 谢文兵，史振凡 ， 殷少举．近距离跨采对巷道 围岩稳定性影响分析 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 1 2 1 9 8 6～1 9 9 1 ． [ 8 ] 郑百生， 谢文兵，陈晓祥． 煤矿跨采巷道围岩加固机理分析 [ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 4 ，3 2 5 3 7 4 1 ． [ 9 ] 郑百生， 谢文兵，陈晓祥，等． 跨采对影响地板岩巷稳定性的数值模拟 [ J ] ． 矿山压力与顶板管理，2 0 0 4 ， 2 1 1 2 5 2 9． 维普资讯