董 帥 周邵華 畢思杰 施海生 張科星

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008;3.義馬煤業(yè)集團(tuán)常村礦沖擊礦壓防治辦公室,河南省三門峽市,472301)

常村煤礦沖擊礦壓數(shù)值模擬研究

董 帥1,2周邵華1,2畢思杰3施海生3張科星3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008;3.義馬煤業(yè)集團(tuán)常村礦沖擊礦壓防治辦公室,河南省三門峽市,472301)

根據(jù)常村煤礦的采掘工藝和地質(zhì)條件,分析了其沖擊礦壓頻繁發(fā)生的原因,通過(guò)數(shù)值模擬研究了工作面開(kāi)采及巷道開(kāi)挖前后的應(yīng)力分布情況,結(jié)果表明,在工作面和巷道開(kāi)挖過(guò)后底板的水平應(yīng)力是不斷增加的,而21132工作面進(jìn)風(fēng)巷在采掘過(guò)程中沖擊礦壓頻繁發(fā)生經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)政策,針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題提出了解決方案。

沖擊礦壓 數(shù)值模擬 應(yīng)力疊加 常村煤礦

1 礦井概況

義馬煤業(yè)集團(tuán)常村煤礦位于河南省義馬市常村鎮(zhèn)境內(nèi),礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力180萬(wàn)t/a。礦井21采區(qū)走向長(zhǎng)2141～3226 m,傾斜長(zhǎng)1438 m,開(kāi)采2#、3#煤層,平均厚度為5.63 m。隨著礦井采深的不斷加大,沖擊礦壓對(duì)巷道造成了不同程度的破壞,并有愈加強(qiáng)烈之趨勢(shì),嚴(yán)重影響了安全生產(chǎn)。特別是在21132工作面采掘過(guò)程中,沖擊礦壓顯現(xiàn)尤為嚴(yán)重。

2 沖擊礦壓現(xiàn)象分析

常村礦開(kāi)采進(jìn)入21采區(qū)深部后,在采掘過(guò)程中頻繁發(fā)生沖擊事故,主要表現(xiàn)為:底臌以及兩幫相對(duì)移近,其中巷道的底臌顯現(xiàn)比重較大,累計(jì)破壞巷道達(dá)1000 m以上。特別是在21132工作面進(jìn)風(fēng)巷150～500 m范圍內(nèi),沖擊礦壓發(fā)生的頻率最高,見(jiàn)圖1(a)。

21132工作面上部為2111工作面采空區(qū),下部為未開(kāi)采的2115工作面,工作面回風(fēng)巷布置在21131采空區(qū)下部,與21131進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)5 m,21132工作面進(jìn)風(fēng)巷布置在實(shí)體煤內(nèi),相對(duì)上分層進(jìn)風(fēng)巷外錯(cuò)20 m,見(jiàn)圖1(b)。通過(guò)分析研究21132工作面的開(kāi)采技術(shù)條件,由圖1(b)可以看出,進(jìn)風(fēng)巷恰位于煤柱的高應(yīng)力區(qū)域,這個(gè)區(qū)域存在著多個(gè)煤柱的疊加,較高的疊加應(yīng)力最終導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生。

圖1 常村礦21132工作面布置圖

3 數(shù)值模擬研究

為了定量化研究常村煤礦發(fā)生沖擊礦壓的原因以掌握其規(guī)律,以21132工作面進(jìn)、回風(fēng)巷為研究對(duì)象,采用FLAC2D軟件進(jìn)行模擬,主要分析了隨著工作面的回采,21132巷道系統(tǒng)中應(yīng)力分布特征的變化,研究得出了現(xiàn)有巷道系統(tǒng)布置存在較大沖擊危險(xiǎn)性的原因。

3.1 模擬條件

模型大小為465 m×170 m,網(wǎng)格比例總體上為1∶1,以此模擬了2111工作面和2113工作面的傾向長(zhǎng)度范圍。模型采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算,模型在煤層的底板布置了一條應(yīng)力監(jiān)測(cè)線,用以分析應(yīng)力的變化情況。模型開(kāi)挖主要分為以下幾個(gè)步驟:整體開(kāi)挖2111工作面;開(kāi)挖21131工作面;開(kāi)挖21132工作面進(jìn)、回風(fēng)巷;開(kāi)挖21132工作面。每次開(kāi)挖后,分析應(yīng)力的重新分布狀態(tài),初始模型見(jiàn)圖2。

圖2 初始模型

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)初始平衡后應(yīng)力分布情況。

初始平衡后應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖3,可以看出,初始應(yīng)力平衡后,原巖應(yīng)力區(qū)域最大應(yīng)力為11.5 M Pa,此時(shí)應(yīng)力尚未受到采掘活動(dòng)的影響。

圖3 初始狀態(tài)的應(yīng)力分布

(2)21131工作面采后應(yīng)力分布情況。

21131工作面采后應(yīng)力變化見(jiàn)圖4,可以看出,采后應(yīng)力發(fā)生了很大的變化,這是由于位于21131工作面上部的2111工作面直接頂垮落,在采空區(qū)的兩側(cè)都形成了較高的支撐應(yīng)力,工作面上方巖層出現(xiàn)了塑性應(yīng)力區(qū)域。圖4中的2111采空區(qū)中部底板出現(xiàn)垂直應(yīng)力升高,是由于頂板的垮落,使得底板重新受力引起的。此時(shí)垂直應(yīng)力最大值為32.1 M Pa,是原巖應(yīng)力的3倍。采空區(qū)內(nèi)的受力很小,3個(gè)煤柱對(duì)應(yīng)3個(gè)垂直應(yīng)力峰值,說(shuō)明其受力很大。由圖5可看出21132工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)至25～27 m位置(高應(yīng)力區(qū)域),回風(fēng)巷掘進(jìn)至200～202 m位置(低應(yīng)力區(qū)域),這正是在掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)風(fēng)巷頻繁發(fā)生沖擊礦壓的原因。

圖4 21131工作面采后應(yīng)力變化

21132進(jìn)、回風(fēng)巷開(kāi)挖后垂直應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖5,進(jìn)風(fēng)巷最大垂直應(yīng)力為40 MPa,回風(fēng)巷最大垂直應(yīng)力為27 M Pa,兩者相比為1.5倍,導(dǎo)致了進(jìn)風(fēng)巷的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回風(fēng)巷,見(jiàn)圖6。實(shí)際情況表明,進(jìn)風(fēng)巷的底臌量和兩幫移近量都要比回風(fēng)巷大的多,說(shuō)明進(jìn)風(fēng)巷周圍存在著較大的疊加應(yīng)力。

(4)21132工作面采后應(yīng)力分布情況。

21132工作面采后進(jìn)風(fēng)巷周圍的最大垂直應(yīng)力為24.6 M Pa,是原巖應(yīng)力的2.5倍,較21132進(jìn)、回風(fēng)巷開(kāi)挖后垂直應(yīng)力有所下降,但應(yīng)力水平仍然很高,主要原因是上覆巖層垮落使采空區(qū)底板受力,使得煤柱的集中應(yīng)力有一定程度的下降,同時(shí)也說(shuō)明采空區(qū)懸吊頂板的及時(shí)斷裂有利于防治沖擊礦壓的發(fā)生。

(5)開(kāi)挖過(guò)程中底板水平應(yīng)力的變化。

底板沖擊礦壓的發(fā)生在很大程度上取決于水平應(yīng)力的大小和當(dāng)時(shí)底板巖層的物理性質(zhì)以及完整程度。因此,研究底板水平應(yīng)力的變化可以在一定程度上預(yù)知發(fā)生底板型沖擊礦壓的危險(xiǎn)程度。

模型求得2111、21131和21132工作面回采后底板的水平應(yīng)力分別為10 M Pa、18 M Pa和19 M Pa,可看出煤柱中的水平應(yīng)力急劇升高。當(dāng)巷道掘進(jìn)至煤柱中時(shí),底板中的水平應(yīng)力還會(huì)有所增加,而對(duì)于常村礦的炭質(zhì)泥巖底板來(lái)說(shuō),高水平應(yīng)力很容易導(dǎo)致底板型沖擊礦壓的發(fā)生。

4 結(jié)論

(1)在深井開(kāi)采條件下,留設(shè)大煤柱容易聚集大量的彈性能,大量的彈性能為沖擊礦壓的發(fā)生提供了力源條件。故不應(yīng)將巷道布置在煤柱高應(yīng)力區(qū)域。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示在工作面和巷道開(kāi)挖過(guò)后底板的水平應(yīng)力是不斷增加的,而對(duì)于常村礦的炭質(zhì)泥巖底板來(lái)說(shuō),較高的水平應(yīng)力很容易導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生。

[1] 錢鳴高,石平五等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社

[2] 竇林名,何學(xué)秋等.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社

[3] 盧新偉,竇林名等.巨厚火成巖下礦震分布特征分析[J].煤炭工程,2010(7)

[4] 徐學(xué)鋒,竇林名等.煤礦巷道底板沖擊礦壓發(fā)生的原因及控制研究[J].巖土力學(xué),2010(6)

Numerical simulation research on reasons of rock-burst happened in Changcun coal mine

Dong Shuai1,2,Zhou Shaohua1,2,Bi Sijie3,Shi Haisheng3,Zhang Kexing3
(1.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;2.State Key Lab of Coal Resources and Safe Mining,Xuzhou,Jiangsu province 221008,China;3.Rock-burst Prevention and Cure Office,Changcun Mine of Yima Coal Mining Group,Sanmenxia,Henan province 472301,China)

Based on mining and geological conditions at Changcun coalmine,the author analyzed the reasons of rock burst happening frequently there.Through numerical simulation,stresses distribution at working faces and roadways before and after excavation is researched.The result indicates that,floor’s horizontal stress of the working faces and road ways is constantly increasing after excavation,and reasons of happening rock burst frequently during excavation of the down gate at 21132mining face is that,the gate is excavated in the stress superposition area.

Rock burst,Reason,numerical simulation,stress superposition,Changcun coal mine

TD324

B

董帥(1985-),男,山西臨汾人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦專業(yè)碩士研究生,研究方向?yàn)閹r層移動(dòng)與綠色開(kāi)采。

(責(zé)任編輯 梁子榮)