大倾角综放工作面支承压力分布规律数值模拟研究

2019-11-01乔小娇

同煤科技 2019年5期

乔小娇

(潞安集团司马煤业有限公司山西长治 047105)

随着我国中东部煤炭资源开发强度不断增大,为了更好地合理利用煤炭资源,占我国煤炭储量15%～20%的大倾角煤层已渐渐成为某些矿井的主采煤层。大量工程实践表明[1-5]：大倾角煤层开采后,其采场顶板岩层的破断、变形形式不同于缓倾斜煤层,尤其是大倾角综放工作面,由于顶煤的存在及采出,势必导致采场围岩结构变化,造成不同于缓倾斜工作面的矿山压力显现形式。

1 801大倾角综放工作面生产地质情况

801工作面长度220 m,推进长度510 m,回采范围内地面标高+479 m～+531 m,工作面开采煤层属下二叠统山西组下部的三号煤层,该煤层赋存稳定,煤厚变异较小,煤层结构较简单。煤层平均厚度7 m；煤层倾角6°～20°,平均16°。采用综采放顶煤开采,放顶步距0.8 m,工作面为倾斜长壁后退式开采。

801 工作面煤体以黑色、块状为主,粒状次之,亮煤为主,夹镜煤条带,煤质为贫瘦煤。

煤层普氏硬度如表1所示,煤质状况如表2所示,煤层顶底板情况如表3所示。

表1 煤层普氏硬度表

表2 煤质状况表

表3 煤层顶底板情况表

2 801大倾角综放工作面顶板管理设备情况

工作面端头布置三组ZFG9600/23/38 型过渡支架及两组ZT15000/19.5/41 型端头架,端尾布置三组ZFG9600/23/38 型过渡支架及一组ZT7200/19/40 型端尾架,中间布置ZFG9600/23/38 型过渡支架共同管理顶板。液压支架基本参数如表4所示。

表4 液压支架基本参数

3 数值模型的建立

在对现场地质生产条件进行简化和抽象的基础上,并考虑工作面倾角较大,利用FLAC3D软件建立模型来研究工作面支承压力分布规律。

考虑边界效应,设计的三维计算模型长、宽、高分别为160 m、120 m和88 m,共划分282 000个六面体单元,生成网格节点295 728个。X轴平行于工作面推进方向,采用摩尔-库仑本构模型。模型水平方向上左右两侧限制水平位移,模型底面限制水平移动和垂直移动,模型的上部施加上覆岩层的自重应力,建立的数值模型如图1所示。

图1 数值计算模型图

4 模拟结果分析

为分析底煤中应力分布,在底煤中布置测线,研究煤层开采过程中底煤支承压力分布规律。

图2(a)为工作面推进2 m 时煤岩体应力云图及工作面前方底煤支承压力分布曲线,可以看出,底煤的采出导致煤层悬露顶板、底板出现卸压现象,煤壁处出现应力集中；支承压力峰值紧靠煤壁位于煤壁前方2 m处,峰值大小6.66 MPa,应力集中系数为1.26,工作面前方底煤整体处于增压状态未出现卸压区,说明煤体顶底板条件较好,促使底煤处于三向受力状态,强度较大,在煤壁前方3 m范围内处于应变硬化状态,远离煤壁处处于弹性状态。

图2(b)为工作面推进4 m 放煤2 m 时煤岩体应力云图及工作面前方底煤支承压力分布曲线,放顶煤开采过程中,工作面前方底煤是煤岩体中应力集中最为显著的区域,工作面推进低于10 m时采动影响范围较小,随工作面推进采动影响范围不断增大,且采空区顶底板受采动影响要明显大于采空区前、后方煤岩体受到的影响。

图2(c)为工作面推进100 m 放煤98 m 时煤岩体应力云图及工作面前方底煤支承压力分布曲线,受煤层倾角的影响,采空区上覆岩层卸压区突向上部,采空区下覆岩层卸压区突向下部,说明仰采情况下工作面顶板破断层位高,采空区后方煤层底板破环较深；工作面前方煤岩体应力增大弧小于采空区后方煤岩体应力增大弧,即上覆煤岩体破断卸压导致应力向采空区后方转移。

图2 不同推进距离与放煤步距时工作面前方支承压力分布

图3 底煤峰值应力曲线

图3为工作面不同推进度下底煤支承压力峰值应力大小及应力集中系数随工作面推进变化曲线,随着工作面推进工作面前方煤体峰值应力不断增大,但增加幅度减小。工作面推进20 m 时,曲线趋于平缓,说明随工作面开采上覆岩层悬露面积增大,支承压力增大,且随岩层悬露面积增大岩层内出现离层,导致应力增大幅度减少；推进38 m时支承压力峰值达到第一次极大值,此时直接顶发生破断跨落；推进48 m 时支承压力峰值第二次达到极大值,此时老顶达到极限跨距,发生破断,即初次来压步距45 m,随后在60 m、72 m处达到极大值,即周期来压步距约为12 m。煤体内应力集中系数最大为1.81,说明顶煤的存在促使放顶煤开采矿压显现不明显,且顶板较为完整坚硬老顶可能发生弯曲下沉。