賈 岳
(西山煤電股份有限公司西曲礦,山西古交030200)
基于CFD方法的俯偽斜分段采煤研究
賈 岳
(西山煤電股份有限公司西曲礦,山西古交030200)
為了對(duì)俯偽斜分段密集采煤法存在的問(wèn)題進(jìn)行研究,本文以福達(dá)煤礦為實(shí)際工程背景,運(yùn)用CFD數(shù)值模擬軟件對(duì)俯偽斜分段密集采煤法采動(dòng)作用下,工作面頂?shù)装暹\(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬研究,并研究了不同煤層傾角、推采距離以及巷道數(shù)目對(duì)工作面頂?shù)装暹\(yùn)移的影響效果,數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)煤層傾角在65°~70°時(shí),煤層頂板法線方向最大應(yīng)力受傾角變化的影響顯著;當(dāng)煤層傾角不在此范圍內(nèi)時(shí),最大應(yīng)力受傾角影響不明顯;巷道的數(shù)目也對(duì)支撐壓力有一定的影響,支架超前承壓數(shù)值的大小隨巷道數(shù)目的增多而增加,且支撐壓力極限值出現(xiàn)的位置會(huì)越來(lái)越靠近工作面,增加了開采時(shí)的危險(xiǎn)性;采用俯偽斜分段密集采煤法開采時(shí),工作面上下兩個(gè)端頭附近是危險(xiǎn)區(qū)域,在兩端頭附近區(qū)域非??赡馨l(fā)生頂板冒落。
俯偽斜;分段采煤;CFD方法;頂?shù)装暹\(yùn)移
俯偽斜分段密集采煤法是一種適應(yīng)性強(qiáng)、回采率高的采煤方法[1]。在20世紀(jì)90年代后期,煤炭工業(yè)迅速發(fā)展,我國(guó)對(duì)大傾角采煤技術(shù)的發(fā)展需求迫切,在這種背景下,俯偽斜分段密集采煤法最早在芙蓉礦務(wù)局成功應(yīng)用,后來(lái)在全國(guó)不同地區(qū)的許多煤礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用,并得到了煤炭部的認(rèn)可,逐漸成為一種大傾角傾斜煤層的主流采煤方法[2-4]。在日后的生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用中,此方法在技術(shù)上日趨成熟,尤其是在采場(chǎng)布置、支護(hù)、傾角選擇上日趨合理。但由于我國(guó)煤炭資源賦存條件復(fù)雜多變[5],不同礦區(qū)地質(zhì)條件差異較大,加之起初此方法是應(yīng)用于薄煤層的開采,因此,在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題,比如:對(duì)此方法采落煤炭后的頂?shù)装暹\(yùn)移變形規(guī)律還不清楚,表面應(yīng)力改變與顯現(xiàn)的規(guī)律也不能完全掌握。
鑒于此,本文以福達(dá)礦為實(shí)際工程背景,采用CFD數(shù)值模擬研究方法對(duì)實(shí)際比較復(fù)雜的偽斜分段采煤工程問(wèn)題進(jìn)行模擬研究,以期得到俯偽斜分段密集采煤法還未掌握的規(guī)律,更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。
福達(dá)煤業(yè)井田位于潞安煤炭國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)東北部,15號(hào)煤層屬侏羅紀(jì)煤層,井田內(nèi)含煤地層為太原組和山西組,礦井的生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a,采用斜井、立井聯(lián)合的開拓方式,現(xiàn)在所采煤層15號(hào)煤層布置分段密集支柱支撐工作面,采用三巷道同采的方式進(jìn)行采煤作業(yè)。15號(hào)煤層位于-100~200 m,平均厚度為1.6 m,煤層傾角65°,所選用偽斜傾角為21°、水平傾角21°。
2.1 CFD模型的建立
在建立CFD數(shù)值計(jì)算模型時(shí),本文將實(shí)際工程情況假設(shè)成有限元的彈塑性本構(gòu)模型,在此情況下,模型計(jì)算符合摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。在設(shè)定模型的邊界條件時(shí),考慮到實(shí)際工程情況,也為了便于模型的計(jì)算,選取模型尺寸為(高×寬×長(zhǎng))250×120×100(m3)。模型側(cè)面和頂?shù)酌婢鶠楣潭s束。依據(jù)以上邊界條件,建立了CFD模型,見圖1。
圖1 CFD模型圖
2.2 CFD模型參數(shù)的選擇
考慮到上覆巖層的重量,模型頂部輸入載荷AH為10 MPa,作為模擬自重,其中A是上覆巖層的重度(N/m3);H是煤層的采深(m)。模型所取參數(shù)見表1。
由于地質(zhì)和煤炭賦存條件的復(fù)雜性,在研究煤礦開采采動(dòng)影響下,頂?shù)装宓倪\(yùn)移規(guī)律和特征,一直是重點(diǎn)研究領(lǐng)域中的難點(diǎn),數(shù)值模擬能較好的解決這個(gè)問(wèn)題[6-8]。在模擬計(jì)算時(shí)推采距離分別為50 m、100 m,煤層傾角65°。
表1 有關(guān)巖層巖性參數(shù)表
反應(yīng)頂?shù)装暹\(yùn)移規(guī)律的最重要的兩個(gè)檢測(cè)指標(biāo)是:頂板、底板法線方向最大應(yīng)力與極限位移。因此,對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬,分別得到了頂?shù)装宸ㄏ蜃畲髴?yīng)力和法向最大位移以及工作面推采距離的關(guān)系曲線。因?yàn)榈装宸治龇椒ㄅc頂板一致,所以,僅作出頂板有關(guān)圖線,見圖2,圖3。
圖2 頂板位移場(chǎng)圖
圖3 頂板法向最大應(yīng)力與傾角、推采距離的關(guān)系曲線圖
由圖2,3可以得到如下規(guī)律:隨著煤層傾角的不斷增大,頂板法線方向極限位移、最大應(yīng)力逐漸減小。每當(dāng)煤層傾角增加10°左右時(shí),頂板法線方向極限位移減小34%左右。
煤層頂板法向應(yīng)力沿工作面兩側(cè)逐漸減小,最大應(yīng)力位置在下端頭附近。而頂板法線方向最大位移沿采空區(qū)對(duì)角線方向逐漸減小,且呈扇形分布,極限位置出現(xiàn)在上端頭附近;煤層底板的極限位移分布規(guī)律與頂板一致,但是法線方向最大應(yīng)力發(fā)生位置不同于頂板,其出現(xiàn)在上端頭附近。
確定頂?shù)装鍛?yīng)力、位移的極限位置對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義,在實(shí)際開采中,可以在應(yīng)力、位移極限位置提前采取相應(yīng)措施加以防范,對(duì)生產(chǎn)安全具有重要作用。
由數(shù)值模擬結(jié)果可以得出,法線方向極限位移的分布規(guī)律:下部位移小于中部位移,上部位移最大,即為上部>中部>下部。當(dāng)煤層傾角在65°~70°時(shí),煤層頂板法線方向最大應(yīng)力受傾角變化的影響顯著;當(dāng)煤層傾角不在此范圍內(nèi)時(shí),最大應(yīng)力受傾角影響不明顯,底板變化規(guī)律跟頂板一致。
極限位移受推采距離變化的影響不夠顯著,并且隨著煤層傾角的增大,受推采距離變化的影響作用逐漸減小。底板法線方向極限位移隨開采巷道數(shù)的增加變化顯著:巷道條數(shù)增加時(shí),極限位移隨之變大。增幅超過(guò)9%,而頂板極限位移同步增加,且增加幅度超過(guò)底板,致使底板形成拱形彎梁,底板容易破壞,易導(dǎo)致支架事故。
本文以福達(dá)煤礦為實(shí)際工程背景,運(yùn)用CFD有限元軟件,對(duì)頂?shù)装暹\(yùn)移規(guī)律最重要的兩個(gè)檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,在采動(dòng)引發(fā)地表沉陷的研究、俯偽斜采煤法參數(shù)優(yōu)化和沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)測(cè)方面具有借鑒意義。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算,得到以下結(jié)論:
1)極限沉陷位移隨著推采深度的增加逐漸向開采方向遷移,沉陷的影響范圍也逐步擴(kuò)大。在確定開采參數(shù)前,應(yīng)先選擇合理的開采方案,必須考慮到煤層傾角對(duì)工作面超前承壓的數(shù)值和作用范圍的影響。當(dāng)煤層傾角在65°~70°時(shí),煤層頂板法線方向最大應(yīng)力受傾角變化的影響顯著;當(dāng)煤層傾角不在此范圍內(nèi)時(shí),最大應(yīng)力受傾角影響不明顯,底板變化規(guī)律跟頂板一致。
2)在運(yùn)用俯偽斜分段密集采煤法開采時(shí),工作面上下兩個(gè)端頭附近是危險(xiǎn)區(qū)域,在兩端頭附近區(qū)域非??赡馨l(fā)生頂板冒落。一旦發(fā)生頂板冒落事故,冒落巖石會(huì)從上下端頭角連線方向開始下滑,進(jìn)而對(duì)支柱造成沖擊破壞,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生連帶二次災(zāi)害,使頂板事故擴(kuò)大。在端頭附近區(qū)域必須提前采取措施,加大支護(hù)力度。
3)對(duì)俯偽斜分段采煤法中超前支撐壓力作用的模擬研究表明,巷道的數(shù)目也對(duì)支撐壓力有一定的影響??梢哉J(rèn)為,支架超前承壓數(shù)值的大小隨巷道數(shù)目的增多而增加,且支撐壓力極限值出現(xiàn)的位置會(huì)越來(lái)越靠近工作面,增加了開采時(shí)的危險(xiǎn)性。
4)對(duì)比工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),CFD數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,說(shuō)明該模擬可以用于俯偽斜分段采煤法,并在俯偽斜分段采煤采動(dòng)影響下頂?shù)装宓倪\(yùn)移規(guī)律預(yù)測(cè)和提高煤礦開采安全性方面具有實(shí)際意義。
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Research on Downhill False Inclination Subsection Mining Based on CFD Method
Jia Yue
In order to research on the problem of downhill false inclination subsection intensive coal mining method,F(xiàn)uda coal mine is as the practical project background,CFD numerical simulation software is utilized to simulation study the roof and floor migration rules with the downhill false inclination subsection intensive coal mining method.The impact effect of different coal seam dip,mining distance and the number of roadway to working face roof and floor migration is studied,the numerical simulation results show that when coal seam dip is 65°~70°,the maximum stress of seam roof normal direction is influenced remarkably by angle change.When coal seam dip is beyond the scope,the maximum stress is influenced not obvious.The support pressure is also affected by the number of roadway,with the increase of roadway number,advanced pressure of support increases,and the position of support pressure limit value is more and more close to the working face,the dangerousness of mining is increasing.When using downhill false inclination subsection intensive coal mining method to mining,the area nearby the upper and lower ends of working face is dangerous,where is highly possible occurrence of roof caving.
Downhill false inclination;Segmented mining;CFD method;Migration of roof and floor
TD82
A
1672-0652(2014)11-0047-03
2014-10-13
賈岳(1972—),男,山西河曲人,1995年畢業(yè)于陽(yáng)泉煤炭??茖W(xué)校,工程師,主要從事煤礦開采管理方面的工作(E-mail)763132088@qq.com