急倾斜煤柱开采后对巷道影响的数值模拟

唐 治，潘一山，阎海鹏，李国臻，李忠华

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

急倾斜煤柱开采后对巷道影响的数值模拟

唐 治，潘一山，阎海鹏，李国臻，李忠华

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

为提高煤炭的回收率和经济效益，针对长沟峪煤矿4槽煤柱，应用ANSYS有限元软件对-230～-310水平的煤柱开采前后进行数值模拟，得出:(1)煤柱开采以后，煤岩体总体下沉，但对-140水平巷道影响较小。(2)开采后，煤柱的中间部位是转折区，煤柱中部以上主应力减小，属于安全区域;煤柱中部以下主应力增大，随深度的增加，主应力增大;-320水平附近煤柱采后的主应力是采前的2倍多，是煤柱开采后主应力最大的地方，所以开采此区域为相对重点注意区域。(3)煤柱开采后-140水平的煤柱附近主应力增大，是没开采前的1.6倍，也是煤柱开采后主应力较大的地方，开采前要适当对-140水平煤柱附近进行加固。数值模拟得出结果和实际开采吻合较好，因此急倾斜煤柱开采后对巷道影响的数值模拟对开采有一定的指导意义。

急倾斜煤柱;数值模拟;主应力集中;巷道保护;有限元模型

0引言

煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源安全的重大问题，也是我国国民经济健康发展的基础。我国煤炭资源十分丰富，但随着部分老矿井可采煤量的枯竭，提高采出率尤为重要，其中提高煤柱的采出率，对提高煤矿产量和煤炭回收率具有重要意义。长沟峪煤矿在-140～-310m水平东一石门处，为保护东一石门的正常使用，留设了煤柱，该煤柱储量为37200t。为有效的回收煤炭资源，提高煤炭的回收率和经济效益，开采-230～-310m水平东一石门4槽煤柱。但-140m水平东一石门是目前开采该区域的唯一通道，必须保证其正常使用。因此，开采-230～-310m水平东一石门4槽煤柱时，如何保护-140m水平东一石门是至关重要问题［1-3］。笔者基于ANSYS有限元软件建立了平面有限元弹塑性本构模型，对-230～-310水平的煤柱开采前后位移、主应力变化进行分析比较，找出主应力集中部位［4-11］，提出开采措施，能为工程规划决策者提供依据和指导。而且对相似条件下急倾斜煤柱的开采具有指导意义。

1 数值模型参数选取及建立

1.1 计算基本参数的选取

煤层顶、底板情况:伪顶为粉砂岩，厚度为0.5m;直接顶为粉砂岩，厚度为15.0m;老顶为中粒砂岩，厚度为22.0m;底板为粉砂岩夹煤线，厚度为10.7m。煤层平均厚度3.0m，平均倾角55°。通过现场取样，在实验室测得煤层和岩石的力学参数，如表1所示。

1.2 计算模型的建立

综合以上基本条件，利用ANSYS有限元软件，建立平面有限元弹塑性本构模型，采用Druck-Prager屈服准则进行计算［12-16］。模型横向 190m，纵向 210m，分老顶、伪顶和直接顶、煤层、底板四层，最细为煤层。低端固定约束，左右边界是X方向位移约束，上边界考虑为均布载荷即上覆岩层重量，并考虑整个模型体的自重。图1为数值模拟模型。所设模型距地表600m，模型顶面受铅直地应力:

式中:ρ——上覆岩密度(kg/m3);

g——重力加速度(m/s2);

H——模型顶面距地表的距离(m)。

2 结果分析

通过建立平面有限元模型，数值模拟计算开采前后位移和主应力变化情况，取出-140水平开采前后节点的位移和主应力值，画出-140水平位移和主应力变化曲线图。

表1 煤岩力学参数Table 1 Coal bed mechanical parameters

图1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2.1 煤柱开采前后的位移分析

图2 为煤柱开采前，上覆岩层重量及自重作用下在垂直剖面位移云图。图3为煤柱开采后垂直剖面位移云图。

图2 煤柱开采前垂直剖面位移云图Fig.2 Displacement cloud chart along the vertical section before coal mining

从图2、3中可知:煤柱开采以后，煤岩体总体下沉，开采煤柱正上方-230～-310水平之间相对较明显，对-230水平以上及其它位置影响很小。

2.2 煤柱开采前后的主应力分析

图4为煤柱开采前，上覆岩层重量及自重作用下在垂直剖面应力云图，图5为煤柱开采后垂直剖面主应力云图。

图3 煤柱开采后垂直剖面位移云图Fig.3 Displacement cloud chart along the vertical section after coal mining

图4 煤柱开采前垂直剖面主应力云图Fig.4 Principal stress cloud chart along the vertical section before coal mining

图5 煤柱开采后垂直剖面主应力云图Fig.5 Principal stress cloud chart along the vertical section after coal mining

从图4、5中可知:

(1)沿煤层方向，从-310～-230水平开采前后主应力都有变小的趋势;

(2)沿煤层方向，从-230～-140水平开采前后主应力都有变大的趋势;

(3)没采前顶板主应力大小分布的总体趋势是随深度的增加而增大，低板则有变小的趋势，但变化不大。低板的主应力明显小于顶板的主应力。

(4)要采煤柱的中间部位是转折区，煤柱中部以上主应力减小，属于安全区域;煤柱中部以下主应力增大，随深度的增加，主应力增加的越大，-320水平附近煤柱采后的主应力是采前的2倍多，是煤柱开采后主应力最大的地方，所以开采此区域为重点注意区域。

2.3 煤柱开采后-140水平的位移分析

图6为煤柱开采后-140水平的垂直位移模拟值及测量值变化情况。

图6 位移变化图Fig.6 Displacement change graph

从图6可知:

(1)开采后对-140水平几乎没有影响，模拟值最大下沉0.9cm。

(2)实际开采后对-140水平的位移几乎没有影响，最大下沉1.2cm。

(3)煤柱开采后-140水平的垂直位移模拟值和测量值吻合较好。

2.4 煤柱开采后-140水平的主应力分析

图7为煤柱开采后-140水平的主应力模拟值及测量值变化情况。

从图7及模拟数值可知:

(1)开采后-140水平煤柱附近主应力的模拟值增大，是没开采前的1.6倍左右，对其它位置几乎没有影响。

(2)煤柱开采后-140水平的主应力测量值最大为18MPa。

(3)煤柱开采后-140水平的主应力模拟值和测量值吻合较好。

3结论

通过对长沟峪煤矿4槽煤柱开采的数值模拟研究，得出如下结论:

图7 主应力变化图Fig.7 Principal stress change graph

(1)煤柱开采以后，煤岩体总体下沉，但对-140水平影响较小。-140水平最大下沉1.7cm。

(2)要采煤柱的中间部位是转折区，煤柱中部以上主应力减小，属于安全区域;煤柱中部以下主应力增大，随深度的增加，主应力增加的越大，-320水平附近煤柱采后的主应力是采前的2倍多，是煤柱开采后主应力最大的地方，所以开采此区域为相对重点注意区域。

(3)开采后-140水平煤柱附近主应力增大，是没开采前的1.6倍左右，也是煤柱开采后主应力较大的地方，开采前要适当对-140水平煤柱附近进行加固。

(4)数值模拟得出结果和实际开采吻合较好，因此对急倾斜煤柱开采后对巷道影响的数值模拟对开采有一定的指导意义。

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Numerical simulation about influences of steep inclined coal pillar after mining on laneway

TANG Zhi，PAN Yi-shan，YAN Hai-peng，LI Guo-zhen，LI Zhong-hua
(School of Mechanics and Engineering Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

In order to improve the recovery and economic benefit of the coal mine，ANSYS finite element software is adopted to make numerical simulation for-230～-310 level coal pillar before and after mining，aiming at No.4 groove coal pillar of Changgouyu mine，and it is obtained:(1)After coal pillar mining，total of coal and rock mass is sinking，but it has little influence to-140 level laneway.(2)After mining，the middle position of coal pillar is transition region，and the principal stress above the middle of coal pillar decreases，where is safety area;the principal stress below the middle of coal pillar increases with the increase of depth;the principal stress of coal pillar nearby-320 level after mining is more than 2 times of which before mining，where is the place principal stress of coal pillar after mining is the biggest，so it is quite important region for mining.(3)The principal stress of coal pillar nearby-140 level after mining increases，which is 1.6 times of that before mining，and the place where its principal stress is bigger，so it is necessary to strengthen the coal pillar nearby-140 level properly before mining.Results obtained by numerical simulation agree well with actual mining，so numerical simulation about influences of steep inclined coal pillar after mining on laneway has certain guiding significance for mining.

steep inclined coal pillar;numerical simulation;principal stress concentration;laneway protection;finite element model

1003-8035(2010)02-0064-04

TD822+.3

A

2010-01-11;

2010-02-23

唐 治(1983—)，男，硕士，现从事冲击地压理论研究。

E-mail:tagzhi0127@163.com