黄河北煤田薄煤层覆岩采场推进方向运动规律研究

贾 珍 原少洁 张贵银

(栖霞市金兴矿业有限公司)



·采矿工程·

黄河北煤田薄煤层覆岩采场推进方向运动规律研究

贾 珍 原少洁 张贵银

(栖霞市金兴矿业有限公司)

在FLAC3D的辅助下，以缓倾斜薄煤层特点较为典型的黄河北煤田某矿为研究对象，对该区域采场上覆岩层采场推进方向上的运动、破坏规律进行数值模拟分析，探讨了薄煤层开采条件下的支承压力分布规律，验证了中厚煤层、厚煤层中采场推进方向动态模型在薄煤层中的适用性。

数值模拟 缓倾斜 薄煤层 推进方向 支承压力

薄煤层在我国可采煤炭储量中所占比重约20%，其中0.75～1.25 m的缓倾斜薄煤层约为74%，中等硬度以下的薄煤层为煤层总数的65%。根据对各类安全事故的调查发现，矿井岩层运动以及现场应力场应力的大小和分布条件是煤矿各类安全事故的导火索，由于对缓倾斜薄煤层开采的矿山压力和上覆岩层运动规律掌握不够，缺失较为有效的控制措施，因而在巷道维护和采场顶板管理方面投入大量的人力、物力、成本未能有效减少。为实现缓倾斜薄煤层煤矿安全高效生产，需要结合我国缓倾斜薄煤层特点对矿山压力、上覆岩层运动的控制进行分析[1-3]。

黄河北煤田主采煤层主要以缓倾斜薄煤层为主，根据相应的缓倾斜薄煤层地质情况以及采动情况(例如开采程序、工作面长度以及采高等因素)，建立对应的缓倾斜薄煤层结构模型，确定各参数，以对邻近工作面回采巷道掘进准备及事故进行控制。

1 模拟软件简介

目前在大型岩土分析方面，FLAC3D有着较为优异的表现，在矿井巷道及工作面矿山压力分析较为有效。由于FLAC3D的程序采用显式有限差分，并应用混合离散划分单元技术，内置多种岩土力学模型，因而可有效对岩石、土等高度非线性地质材料的力学行为进行相关模拟分析[4]。

该软件内部使用Fish语言编程，可自行编制相应的函数、变量，同时可开发自定义力学模型，保证了程序的灵活性以及使用范围；该软件拥有较高可视化程度的模拟输入、输出，在前、后处理能力方面有着不俗的表现。

2 数值模拟计算

2.1 计算模型

分析黄河北煤田缓倾斜薄煤层上覆岩层在采场推进方向上覆岩层的运动规律时，以该煤田内缓倾斜薄煤层特点较为典型的某矿为参考对象，建立计算模型，通过设定平行、垂直煤层回采方向以及铅直方向(分别为x、y、z轴，在构建坐标系时将垂直模型上表面向上为正)，建立该煤矿缓倾斜薄煤层模型，在x、y、z轴上设定的延伸范围分别为325，150，70 m，回采进尺方向长度约325 m，煤层倾角平均为2°(模拟时设定为水平煤层)，平均厚度设定为1.45 m，煤层平均埋深约455 m。

开采模型对网格的划分尽量达到精细化，单元的大小形状适中。为实现较为优异的模拟、分析效果，需要控制单元大小约2.5 m。考虑到建立的模型计算相对复杂，同时为了保证控制总体单元的计算在硬件承受范围内，要放大一部分离采场较远的单元体[5]。整个模型通过8节点六面体单元构建，最终模型的三维视图和煤层视图如图1所示。

2.2 计算参数

计算参数见表1。

图1 计算三维模型

材料号岩性名称容重/(kN/m3)泊松比摩擦角/(°)变形模量/GPa内聚力/MPa1上覆岩体25100．1873242．98．52泥岩19730．204321963细沙岩25800．159335084泥岩19730．204321965煤层13800．280281．526粉沙岩25810．1693730．77

2.3 模拟步骤

根据薄煤层埋深、容重、测压系数等对模型进行初始应力计算，沿开采方向对待采煤层分步开挖，共进行了130步模拟开挖，循环进尺2.5 m。

3 计算结果与分析

图2为煤层回采到不同推进进尺距离情况下煤层的支承压力云图。

图2 缓倾斜薄煤层各进尺煤层支承压力云图

结合相应矿山压力理论，分析以上不同进尺薄煤层支撑压力云图，可得出以下结论：

(1)煤层最大支承压力伴随推进距离的不断增大相应增大，支承压力最大值出现在工作面进尺约225 m时，最大数值为26.1 MPa。

(2)支承压力峰值位置伴随工作面的推进不断深入煤壁，当工作面进尺约225 m时最大峰值出现，深入煤壁10 m左右。

(3)随开采活动的进行，上覆岩层会按照从下往上的顺序发生沉降、断裂、冒落等岩层运动，造成矿山压力的重新分布，进而导致相应的煤岩体变形破坏以及各类支承体的应力变化[6-7]。另外，支承体的力学性质与覆岩的破坏关系密切，相异的支承体力学状态对上覆岩层在边界附近的断裂规律会产生改变。在井下各类岩层中，只有直接顶可以直接观察监测，要对覆岩破坏运动状态、煤体状态以及支承压力分布等进行推断时，可在具体采场巷道及推进工作面进行适当观测，如支架承载和顶、底板位移等。所以，“支承压力及其显现与薄煤层覆岩的关系”是“正演”和“反演”的关系，此即为薄煤层开采时相关岩层稳定及失稳的理论基础。

4 结 论

黄河北煤田缓倾斜薄煤层采场上覆岩层的运动导致了相应的支承压力分布变化，同时，煤体的力学特性也会导致支承压力分布变化。先前建立的沿采场推进方向的动态模型在薄煤层应用方面理论和实践较少，均是应用于厚煤层以及中厚煤层，通过对该黄河北煤田缓倾斜薄煤层较为典型的某矿进行相关数值模拟计算、分析，可证明在缓倾斜薄煤层采场中也存在着类似的沿采场推进方向的动态模型，为该地区煤田缓倾斜薄煤层的采场控制设计提供了一定的借鉴。

[1] 梁洪光.薄煤层综采技术发展现状[J].煤矿开采，2009，14(1):9-11.

[2] 毛德兵，蓝 航，徐 刚.我国薄煤层综合机械化开采技术及其新进展[J].煤矿开采，2011，16(3)：11-14.

[3] 钟兆华.综采技术在较薄煤层工作面如何实现高效[J].煤炭技术，2009，8(12)：118-120.

[4] 王 涛,韩 煊,赵先宇.FLAC3D数值模拟方法及工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[5] 尹光志,李小双,郭文兵.大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究[J].岩石力学与工程学报,2010(S1):3336-3343.

[6] 曹建辉,刘华君.急倾斜薄煤层工作面采场应力及顶板垮落变形规律研究[J].中州煤炭,2015(2):45-48，52.

[7] 刘 杰.坚硬顶板薄煤层综采开采采场矿压规律研究[J].山西焦煤科技,2013(10):41-43.

Movement Regularity of the Overlying Strata Stope Advancing Direction of the Thin Coal Seam in North Coalfield of Yellow River

Jia Zhen Yuan Shaojie Zhang Guiyin

(Qixia Jinxing Mining Co.,Ltd.)

Based on FLAC3Dsoftware,taking the certain mine in the north coalfield of Yellow river as the study example,which is characterized by slow inclined coal seam.The numerical simulation analysis of movement and failure regularities of the overlying strata stope advancing direction is conducted,the distribution regularity of the abutment pressure under the condition of mining conditions of thin coal seam is discussed,besides that,the applicability of the dynamic model of stope advancing direction of medium-thickness coal seam and thick coal seam in thin coal seam is verified.

Numerical simulation,Slowly inclined,Thin coal seam,Advancing direction,Abutment pressure

2016-08-31)

贾 珍(1976—)，男，工程师，硕士，265300 山东省栖霞市霞光路170号。