常村煤矿冲击矿压数值模拟研究

董 帅 周邵华 毕思杰 施海生 张科星

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;3.义马煤业集团常村矿冲击矿压防治办公室,河南省三门峡市,472301)

常村煤矿冲击矿压数值模拟研究

董 帅1,2周邵华1,2毕思杰3施海生3张科星3

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221008;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008;3.义马煤业集团常村矿冲击矿压防治办公室,河南省三门峡市,472301)

根据常村煤矿的采掘工艺和地质条件,分析了其冲击矿压频繁发生的原因,通过数值模拟研究了工作面开采及巷道开挖前后的应力分布情况,结果表明,在工作面和巷道开挖过后底板的水平应力是不断增加的,而21132工作面进风巷在采掘过程中冲击矿压频繁发生经济产业政策,针对相应问题提出了解决方案。

冲击矿压 数值模拟 应力叠加 常村煤矿

1 矿井概况

义马煤业集团常村煤矿位于河南省义马市常村镇境内,矿井设计生产能力180万t/a。矿井21采区走向长2141～3226 m,倾斜长1438 m,开采2#、3#煤层,平均厚度为5.63 m。随着矿井采深的不断加大,冲击矿压对巷道造成了不同程度的破坏,并有愈加强烈之趋势,严重影响了安全生产。特别是在21132工作面采掘过程中,冲击矿压显现尤为严重。

2 冲击矿压现象分析

常村矿开采进入21采区深部后,在采掘过程中频繁发生冲击事故,主要表现为:底臌以及两帮相对移近,其中巷道的底臌显现比重较大,累计破坏巷道达1000 m以上。特别是在21132工作面进风巷150～500 m范围内,冲击矿压发生的频率最高,见图1(a)。

21132工作面上部为2111工作面采空区,下部为未开采的2115工作面,工作面回风巷布置在21131采空区下部,与21131进风巷内错5 m,21132工作面进风巷布置在实体煤内,相对上分层进风巷外错20 m,见图1(b)。通过分析研究21132工作面的开采技术条件,由图1(b)可以看出,进风巷恰位于煤柱的高应力区域,这个区域存在着多个煤柱的叠加,较高的叠加应力最终导致冲击矿压的发生。

图1 常村矿21132工作面布置图

3 数值模拟研究

为了定量化研究常村煤矿发生冲击矿压的原因以掌握其规律,以21132工作面进、回风巷为研究对象,采用FLAC2D软件进行模拟,主要分析了随着工作面的回采,21132巷道系统中应力分布特征的变化,研究得出了现有巷道系统布置存在较大冲击危险性的原因。

3.1 模拟条件

模型大小为465 m×170 m,网格比例总体上为1∶1,以此模拟了2111工作面和2113工作面的倾向长度范围。模型采用莫尔-库仑准则计算,模型在煤层的底板布置了一条应力监测线,用以分析应力的变化情况。模型开挖主要分为以下几个步骤:整体开挖2111工作面;开挖21131工作面;开挖21132工作面进、回风巷;开挖21132工作面。每次开挖后,分析应力的重新分布状态,初始模型见图2。

图2 初始模型

3.2 模拟结果分析

(1)初始平衡后应力分布情况。

初始平衡后应力分布情况见图3,可以看出,初始应力平衡后,原岩应力区域最大应力为11.5 M Pa,此时应力尚未受到采掘活动的影响。

图3 初始状态的应力分布

(2)21131工作面采后应力分布情况。

21131工作面采后应力变化见图4,可以看出,采后应力发生了很大的变化,这是由于位于21131工作面上部的2111工作面直接顶垮落,在采空区的两侧都形成了较高的支撑应力,工作面上方岩层出现了塑性应力区域。图4中的2111采空区中部底板出现垂直应力升高,是由于顶板的垮落,使得底板重新受力引起的。此时垂直应力最大值为32.1 M Pa,是原岩应力的3倍。采空区内的受力很小,3个煤柱对应3个垂直应力峰值,说明其受力很大。由图5可看出21132工作面进风巷掘进至25～27 m位置(高应力区域),回风巷掘进至200～202 m位置(低应力区域),这正是在掘进过程中进风巷频繁发生冲击矿压的原因。

图4 21131工作面采后应力变化

21132进、回风巷开挖后垂直应力分布情况见图5,进风巷最大垂直应力为40 MPa,回风巷最大垂直应力为27 M Pa,两者相比为1.5倍,导致了进风巷的变形量远远大于回风巷,见图6。实际情况表明,进风巷的底臌量和两帮移近量都要比回风巷大的多,说明进风巷周围存在着较大的叠加应力。

(4)21132工作面采后应力分布情况。

21132工作面采后进风巷周围的最大垂直应力为24.6 M Pa,是原岩应力的2.5倍,较21132进、回风巷开挖后垂直应力有所下降,但应力水平仍然很高,主要原因是上覆岩层垮落使采空区底板受力,使得煤柱的集中应力有一定程度的下降,同时也说明采空区悬吊顶板的及时断裂有利于防治冲击矿压的发生。

(5)开挖过程中底板水平应力的变化。

底板冲击矿压的发生在很大程度上取决于水平应力的大小和当时底板岩层的物理性质以及完整程度。因此,研究底板水平应力的变化可以在一定程度上预知发生底板型冲击矿压的危险程度。

模型求得2111、21131和21132工作面回采后底板的水平应力分别为10 M Pa、18 M Pa和19 M Pa,可看出煤柱中的水平应力急剧升高。当巷道掘进至煤柱中时,底板中的水平应力还会有所增加,而对于常村矿的炭质泥岩底板来说,高水平应力很容易导致底板型冲击矿压的发生。

4 结论

(1)在深井开采条件下,留设大煤柱容易聚集大量的弹性能,大量的弹性能为冲击矿压的发生提供了力源条件。故不应将巷道布置在煤柱高应力区域。

(2)数值模拟结果显示在工作面和巷道开挖过后底板的水平应力是不断增加的,而对于常村矿的炭质泥岩底板来说,较高的水平应力很容易导致冲击矿压的发生。

[1] 钱鸣高,石平五等.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社

[2] 窦林名,何学秋等.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社

[3] 卢新伟,窦林名等.巨厚火成岩下矿震分布特征分析[J].煤炭工程,2010(7)

[4] 徐学锋,窦林名等.煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究[J].岩土力学,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

董帅(1985-),男,山西临汾人,中国矿业大学采矿专业硕士研究生,研究方向为岩层移动与绿色开采。

(责任编辑 梁子荣)