煤柱应力分布规律的数值模拟分析.pdf

第3 2 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技术 2 0 0 4 年1 0 月 煤柱应 力分 布规律 的数值模 拟分析 王永秀，齐庆新，陈 兵，雷 毅 天地科技股份有限公 司 开采所事业部， 北京1 0 0 0 1 3 摘 要 通过动态和静态两种数值模型模拟了采区隔离煤柱应力分布规律，得出了一些有价值的结 论，并按煤柱应力分布规律进行 了区间划分 ，从而为确定煤柱留设宽度时提供 了必要的理论参考。 关键词 煤柱；应力集 中；数值模拟；F L A C 中图分类号T D 3 1 5 ． 3 文献标识码A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 4 1 0 0 0 5 9 0 4 An a l y s i s o n d i g i t a l s i mu l a t i o n f o r s t r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f c o a l p i l l a r WA N G Y o n g x i u ，Q I Q i n g x i n ，C H E N B i n g ，L E I Yi D e p a r t m e n t o fC o a l Mi n i n g ， T i a n d i S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y C o m p a n y L t d ． ， B e lti n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e s t r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f t h e i s o l a t e d c o a l p i l l a r i n c o al mi n i n g d i s t r i c t w a s s i mu l a t e d w i t h d y n a mi c a n d s t a t i c d i g i t al mo d - e l s ．A v alu a b l e c o n c l u s i o n w a s o b t a i n e d f r o m t h e s i mula t i o n ．Ar e a c l ass i fi c a t i o n Was ma d e a c c o r d i n g t o t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f t h e c o al p i l l a r ．Al l a b o v e h a v e p r o v i d e d t h e n e c e s s a r y t h e o r e t i c al r e f e r e n c e s t o t h e wi d t h o f t h e c o al p i l l a r s s e t t i n g ． Ke y wo r d s c o al p i l l ar；s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ；d i git al s i mu l a t i o n ；F L AC 冲击地压灾害一直威胁着矿井的生产安全。根 据相关研究 ，冲击地压发生的主要因素可以分为两 类 一类为矿山地质因素，包括开采深度 、煤岩层 性质及特征和地质构造等，另一类为开采技术条件 因素，包括采煤方法 、煤柱 、采掘顺序和放炮诱发 等 。无论是矿山地质因素，还是开采技术条件 ， 就其本质来讲 ，均是产生了局部的高应力集中。所 以，为有效地预防预测和治理冲击地压的发生，更 根本的还是要对开采煤层的应力变化及应力变化影 响因素进行相关的研究 ，准确掌握高应力集中区域 的位置 、区域应力集中程度及影响因素便可以采取 相应的措施 ，从而达到降低冲击地压发生的概率。 数值模拟研究是随着现代计算机科学 、现代力 学和现代数学等学科发展而兴盛起来的。数值模拟 技术经过 4 0多年的发展 ，在许多工程领域均得到 了广泛的应用。由于 F L A C、U D E C等大型专业软 件的开发应用，数值模拟技术在采矿领域也得到了 广泛的应用。本文应用数值模拟软件 F L A C模拟研 究 了冲击地压矿井留设的采区隔离煤柱因宽度不同 而产生的应力变化规律。 1 数值模拟研 究 1 ． 1 数值模拟模型建立 该模型主要研究煤柱在不同宽度条件下 ，应力 分布规律，同时考虑了两种模型 ，一种称为动态模 型，考虑工作面对煤柱的采动影响，另一种称为静 态模型，不考虑工作面对煤柱的采动影响。一般来 讲 ，煤柱应力分布规律必然的要受到工作面采动的 影响 ，而通常研究煤柱应力分布规律时却只建立静 态模型 ，究竟静态模型有多大误差，需要进行研究 分析 ，所以很有必要建立动态和静态两种模型。另 外 ，静态模型得到的煤柱应力集 中程度一般要弱， 所以在留设煤柱时，采动影响应该尽可能的小 ，通 过建立动态和静态两种模型，便可以分析得到两种 模型影响的差别大小。 对于动态模拟，模型中煤柱的左侧为一个采区 的采空区，右侧为另一个采区工作面切眼。对于静 态模拟，模型中煤柱左右侧与动态模型相对应，但 煤柱左侧采空区和右侧切眼是一次形成的，没有考 虑顺序和时间影响。模型示意图如图 1 所示。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ＼ ／ ／ ／ ＼ 作帕 I 煤} } 切眼 开采煤层 一 图 l 数值模拟模型示意 1 、3 一中砂岩 ； 2 、5 、 7 一粉矿岩 ； 4 一细砂岩 ； 6 一煤层 5 9 维普资讯 第 3 2 卷 第1 0 期 煤炭科学技术 2 0 0 4 年1 0 月 数值模型模拟矿井采深为 1 0 0 0 m，开采煤层 厚度为 6 ． 5 m，直接顶为粉砂岩，厚度 为 5 ． 5 m， 基本顶为中砂岩，厚度为 2 1 m，直接顶为粉砂岩 ， 厚度为 2 ． 5 m。工作面为综放开采，模拟煤柱宽度 为 1 2 m，切眼宽度为 7 ． 2 m。模拟的煤岩层物理力 学参数均由试验测定 ，见表 1 。 1 ． 2 数值模拟结果分析 应用 F L A C软件进行模拟计算，可以得到关于 煤柱应力分布规律的模拟数据 ，将数据用 曲线显 示 ，则得到如图 2和图3所示的采区隔离煤柱应力 分布规律曲线。 矗4 8 3 2 ≥1 6 i ’ 邕 O l 2 2 4 3 6 4 8 6 O 采区隔离煤柱宽 ／ m a 煤柱宽小于 1 8m 薹 b 表 1 煤岩层物理力学参数 O l 2 2 4 3 6 4 8 6 O 采区隔离煤柱宽 ／ m 煤杜宽小 于3 6 m而人 于 1 8m 4 3 主 - 脚 图2 静态模拟状态下的煤柱应力分布规律 曲线 采p 隔离煤柱宽 ／ m a 煤柱宽小于 1 8m 6 4 8 4 s ’ 暮 。 躅 l 6 采区隔离煤柱宽 ／ m b 煤柱宽大于 l 8 m而小于 2 4 m 64 4 s 主 3 2 1 6 0 f l 一 煤 柱宽4 8 m 2 一 煤 柱宽 6 0 m O l 2 2 4 3 6 4 8 6 O 采区隔离煤柱宽 ／ m c 煤柱宽大于 3 6 m 图3 动态模拟状态下的煤柱应力分布规律 曲线 1 ． 2 ． 1 静态模拟结果分析 通过数值模拟可以看到 ，静态模拟得到的煤柱 应力分布规律可以分为 3种情况 ，第一种情况如图 2 a 所示 ，此种情况下煤柱宽度小于 1 8 m，煤柱应 力集中程度较强，煤柱内只有一个峰值位置，距煤 柱左侧约为 3 ． 0 m，而应力峰值位置两侧的应力值 迅速减小。应力峰值较大 ，其中 8 ． 4 m和 1 2 m煤 柱产生的应力峰值接近于 4 4 MP a ，此水平 的煤层 原岩应 力约为 2 6 MP a ，最大应 力集 中系数达 到 1 ． 6 9 。如果煤层本身具有较强的冲击倾向性 ，则在 此高应力下 ，煤柱具有很大的冲击危险性。 第二种情况如图 2 b所示 ，此种情况下，煤柱 宽度范围在 l 8 3 6 m之间，煤柱应力集中程度有 所下降，煤柱内均存在两个峰值，但随着煤柱宽度 6 0 采区隔离煤柱宽 ／ m c 煤柱宽大于 2 4 m 的减小 ，两个应力峰值将渐渐趋于一个 ，而应力峰 值明显增大 ，应力集中程度明显增强。煤柱宽度为 3 6 m时，煤柱应力峰值为 3 4 M P a ，而当煤柱宽度 减为 1 8 m时，煤柱应力峰值则达到 4 0 MP a 。煤柱 内稍大的应力峰值距煤柱左侧约 3 ． 0 m，与第一种 情况的应力峰值位置相同。当煤柱宽度减小为 1 8 m时，煤柱内两个应力峰值合并为一个，可以判定 当煤柱宽度小于 1 8 m时 ，煤柱进入冲击地压危险 区，冲击地压发生的几率很大，而煤柱宽度大于 1 8 m时，冲击地压发生的几率则相对要小一些。 第三种情况如图 2 c所示 ，此种情况下煤柱宽 度大于3 6 m，煤柱应力集中程度相对要弱 了许多， 煤柱内出现 2个峰值 ，但同时在煤柱中间位置出现 一 个较宽的平整的应力集中带 ，随着煤柱宽度的减 维普资讯 第 3 2 卷 第 l 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 4 年l 0 月 小，中间的应力集中带随之渐渐变窄，同时应力值 增大 ，煤柱右侧的应力峰值逐渐消失；当煤柱宽度 减小至 3 6 m时，中间应力集中带变为一个点，形 成新的一个应力峰值。在整个煤柱宽度减小过程 中，煤柱左侧 的应力峰值及其位置均没有明显变 化，峰值约为 3 2 M P a ，距煤柱左侧约 3 ． 0 m。 将 3种情况归纳分析 ，在距煤柱左右侧分别约 3 ． 0和 4 ． 2 m的范围，应力变化幅度比较大。在距 煤柱一侧 3 ． 0 m或4 ． 2 m的位置 ，应力为一个极大 值 ，在向煤柱一侧发展时，应力迅速减小。一般可 以认为，煤柱内的这两个部分属于煤柱塑性区域 ， 而这两个区域基本与煤柱的宽度没有明显关系，由 此可以推断出煤柱最小有效支承宽度为 7 ． 2 m，如 小于 7 ． 2 m煤柱则失去支承能力，只考虑煤柱支承 作用，煤柱宽度不小于7 ． 2 m即可，但如果需要预 防冲击地压 ，则还应该考虑煤柱 的应力集 中程度。 综合分析，煤柱按应力分布情况可以划分为7个区 域 ，以图 2中 4 8 m煤柱 为例 ，即为应 力降低 区 A B段 、应力峰值邻域 B点邻域 、应力平稳 区 B C段 、应力集中带 C D段 、应力平稳区 D E段 、应力峰值邻域 E点邻域 、应力降低 区 E F段 。随着煤柱宽度的减小 ，7个区域中的 一 个或几个可能消失。当煤柱宽度大于 3 6 m时，7 个区域均存在；当煤柱宽度小于 3 6 m而大于 1 8 m 时，煤柱内区域变为，应力降低区、应力峰值邻 域 、应力平稳区、应力峰值邻域和应力降低区，只 有 5 个区域存在；而当煤柱宽度小于 1 8 m时，煤 柱内只有应力降低区、应力峰值邻域和应力降低区 3个区域。随着区域的减少，煤柱内应力集中程度 增强。 1 ． 2 ． 2 动态模拟结果分析 通过动态模拟得到煤柱应力分布规律 ，大致可 以分为 3 种情况。第一种情况如图 3 a所示，此种 情况下，煤柱宽度小于 1 8 m，在此范围内，煤柱 应力只有一个峰值 ，约在煤柱的中间位置，峰值位 置两边的煤体应力迅速减小。同时可以看到，煤柱 应力峰值随煤柱宽度减小而较明显的减小。 第二种情况如图 3 b所示 ，此种情况下，煤柱 宽度大于 1 8 m，而小于 2 4 m。在此范围内，煤柱 应力只有一个峰值 ，距煤柱左侧约 9 ． 0 m，虽然煤 柱应力峰值同第一种情况一样也只有一个 ，但明显 可以看到，煤柱应力峰值要大了许多。煤柱宽度为 1 8 m时 ，应力峰值大小约为 6 0 M P a ，应力集中系 数达到 2 ． 3 1 ，煤柱宽度为 2 4 m时，应力峰值大小 约为 6 4 M P a ，应力集中系数达到 2 ． 4 6 。由此可以 推断出，在此范 围内的煤柱 应力峰 值在 6 0～6 4 M P a 之间，应力集中系数在 2 ． 3 1～ 2 ． 4 6 。可以看 到在此范围内，煤柱的应力集中程度是很高的。 第三种情况如图 3 c 所示。此情况下，煤柱宽 度大于 2 4 m。在此范围内煤柱应力峰值也只有一 个 ，通过对静态模拟结果的分析 ，可以推断出当煤 柱宽度大到一定值时 ．必然会出现 2个峰值，但本 文模拟的最大煤柱宽度为 6 0 m，即有煤柱应力 2 个峰值与一个峰值的临界宽度大于 6 0 m，所以没 有模拟到2个峰值的现象，而一般的煤柱宽度也不 会超过 6 0 m，所以本文不讨论动态模型下煤柱出 现2个峰值 的情况。煤柱应力峰值距煤柱左侧约 9． 0 m。 从图 3中也可以看到 ，煤柱应力峰值随着煤柱 宽度的减小而增大 ，但在较大范围内的增大幅度均 很小。煤柱宽度 为 3 6 m时，应力峰值大小 为 5 6 M P a ，当煤柱宽度为 6 0 m时，应力峰值大小为 5 2 M P a ，应力集中系数分别为 2 ． 1 5和2 ，虽然煤柱应 力程度也比较高，但应力峰值位置与煤柱右侧的距 离较远 ，一般均超过 3 0 m，对煤柱右侧工作面开 采影响将不会很大。 对动态模拟得到的3种煤柱应力分布情况进行 综合分析，可以看到煤柱应力峰值基本保持在距煤 柱左侧约 9 m的位置，煤柱应力由峰值位置向煤柱 左侧移动 ，则迅速降低。同时在煤柱距煤柱右侧约 5 ． 4 m的范围内，应力随着往煤柱右侧移动而迅速 降低。一般的讲 ，这两个 区域属于塑性破坏区域， 对上覆岩体几乎没有支承作用。所以，如果从煤柱 支承作用来讲，煤柱最小宽度应为 1 4 ． 4 m；但如 果煤柱具有冲击倾向性 ，煤柱应力集中强度不能太 高，而显然煤柱宽度在 1 8～2 4 m范围内，应力峰 值很大，应力集中系数很高，所 以在 留设煤柱时， 还必须避开这一段宽度区间。 进一步分析 3 种情况 ，煤柱按应力分布情况可 以划分为4个区域 煤柱宽度不超过 6 0 m 。以图 3中4 8 m煤柱为例，即为应力降低 区 A B段 、 应力峰值邻域 B点邻域 、应力趋缓区 B C段 和应力降低区 C D段 。 随着煤柱宽度的减小 ，4个区域中的一个或几 个可能消失。当煤柱宽度大于 2 4 m时 ，4个区域 均存在 ；当煤柱宽度小于2 4 in而大于 1 8 m时，虽 61 维普资讯 第 3 2 卷 第 l O 期 煤 炭 科学 技 术 2 0 0 4 年l O 月 然煤柱内同样存在相对应的4个区域 ，但由于煤柱 宽度减小 ，应力峰值增大 ，应力趋缓区应力变化幅 度也变得很大 ；当煤柱宽度小于 1 8 m时，煤柱内 只有应力降低区、应力峰值邻域和应力降低区3个 区域 。 1 ． 2 ． 3 动态模拟与静态模拟对比分析 对动态模拟和静态模拟进行对比分析得知，在 动态模拟下，煤柱内应力峰值要 比静态模拟下相应 宽度煤柱内的应力峰值要大许多，应力集中程度要 高许多 ，冲击地压发生的几率要大得多。 通过模拟可以得知其中原因主要是工作面采动 影响，即工作面超前支承压力在煤柱留设前已在采 空区一侧使煤柱产生很大的集中应力。所以，在分 析煤柱的应力分布规律及应力集中情况时，必须按 动态模型来模拟分析才能反映出煤柱较为真实的应 力情况，只应用静态模型得到的结论则会与实际情 况相差甚远。 对动态模拟和静态模拟进行X lt 分析 ，还可以 得知 ，在动态模拟下得到的煤柱合理宽度也要 比静 态模拟得到的煤柱应力宽度大许多，分别为 l 4 ． 4 m和 7 ． 2 m。这主要原因还是工作面采动影响，因 工作面超前支承压力已经使煤柱在较大范围内发生 塑性破坏，失去了支承作用。 通．2模拟的对 比分析，可以看到工作面采动 对煤柱应力分布规律具有很大的影响，所以对于冲 击地压矿井为预防冲击地压的发生，有必要在工作 面接近终采线时 ，采取有效措施来减小超前支承压 力的集中程度和影响范围，以利于以后采区隔离煤 柱的留设 ，达到有效避免冲击地压发生的目的。 2 结 论 1 采区隔离煤柱应力分布规律必须建立动 态模型进行模拟 ，只要这样才能较为真实的反映出 工作面采动对煤柱应力分布规律的影响，才能具有 一 定的实践指导意义，而通常按静态模型得到的理 论结果与实际情况有较大的差别。 2 在动态模拟下，采 区隔离煤柱按应力变 化可以分为应力降低区、应力峰值邻域 、应力趋缓 区和应力降低区等 4个区域 ，应力区域的变化可以 反映出煤柱的应力集中程度强弱 ，有利于分析煤柱 的冲击地压发生几率 ，同时也能为确定合理煤柱宽 度提供理论指导。 参考文献 [ 1 ] 钱鸣高，刘听成 ．矿山压 力及其控制 [ M ．北京煤炭工 出版袖 ．1 9 91 ． 作者简介 王永 秀 1 9 7 6一 ，男 ，山西定襄人，助理 工程 师，硕士 ，现在天地科技股份有限公 司开采所事业韶工作 ，主要从 事矿山压力理论研究工作。 收稿 日期 2 0 0 4 0 6 1 0 ；责任编辑曾康生 上接第 3页 2 围岩松动范围较大。相比较而 言，其浅 部围岩 0～ 3 m的相对位移 主要集 中在围岩揭 露 2 3 d 时间内，而后趋于稳定；而深部围岩 3 ～ 6 I l1 的位移则在浅部围岩相对稳定之后仍持续 一 段时间 4～ 5 d ，而后也逐步稳定。 5 结 论 通过 晓南矿 w 72号煤 层散体 软弱 围岩 煤 体控制设计及试验研究 ，可得出以下结论 1 锚杆支护对控制该类围岩 煤 具有切 实可行性 ，但必须建立在对 围岩 煤 性质深入 勘察和分析的基础上。 2 煤矿地质条件 的区域差异性 ，决定 了同 6 2 一 煤矿锚杆支护方案的系列性，即辅助措施和支护 参数因地而异。 3 严格锚杆支护施工质量 ，以及对施工巷 道进行适时监测以调整支护参数和方案 ，对散体软 弱围岩 煤的有效控制是必不可少的。 参考文献 1 ] 陆士良，汤雷 ，杨新安 ． 锚杆锚固力与锚 固技术 [ M] 北京 煤炭工业出版社 ，1 9 9 8 ． 作者简介 张国华 1 9 7 1 一 ，男 ，黑龙江讷河人 ，讲师 ，硕 士 ，现在黑龙江科技学院资源与环境工程学院从事科研与教学工 作。 收稿 日期2 0 0 4 0 5 1 0 ；责任编辑曾康生 维普资讯