基于FLAC3D的急倾斜特厚煤层水平分层开采围岩应力分析

作者:陆卫东;程刚 刊名:《煤矿安全》 上传者:黄莉莎

【摘要】我国急倾斜特厚煤层的储量较为丰富,且多采用水平分层开采方法,该方法具有开采成本低、安全性好、效率高等特点,但采场周围的应力集中程度高导致矿压显现强烈。为此,通过FLAC3D建立了急倾斜特厚煤层开采数值模型,模拟了开采过程中的应力分布,分析了应力分布的规律和上分层开采对下分层卸压的影响范围。结果表明:随着工作面的推进,支承压力增加的幅度就趋于平缓,形成明显的应力区;同时采空区上部煤岩体的卸压范围随开采分层数增加而有增加趋势。

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目前我国现有的煤炭储量和产量中厚煤层占45%左右比例,其中75%为急倾斜特厚煤层[1],随着西部煤炭资源开发和探明储量的增加,它的比重会继续上升[2]。由于急倾斜特厚煤层地质赋存条件特殊以及开采难度系数大[3],通常采用巷柱式采煤方法,开采效率非常低[4]。近年来兴起的急倾斜特厚煤层水平分层开采改变了急倾斜厚煤层开采的技术方向[5],它具有特点包括成本低、安全性好、高产、材料消耗低和掘进率低等特点[6],但是相对巷柱式开采,急倾斜特厚煤层分层开采采出煤量多,致使采场周围的应力集中程度明显增高很多,导致矿压显现强烈[7]。这对开采过程中安全管理带来了巨大的困难,特别随着开采深度的不断增加,矿压问题愈发突出,主要表现在顺槽维护困难,经常出现片帮、冒顶、底鼓,甚至出现严重的动力冲击现象[8]。在新疆急倾斜特厚煤层的煤矿有100多个,大多分布在乌昌准南煤田、南疆库拜、哈密巴里坤等地区[9]。以新疆神华集团乌东煤矿为例,运用FLAC3D软件对急倾斜特厚煤层水平分层开采围岩应力进行分析。1急倾斜特厚煤层开采数值建模1.1数值模型的建立数值模型以乌东煤矿+575 m水平45#煤层西翼工作面地质条件为基础建立数值模型,煤层倾角45°,按照实际倾角建立模型,煤层工作面沿y轴正方向推进,三维模型如图1。图1三维数值计算模型1.2模型边界条件及初始条件模型的边界条件和初始条件为:根据现场模型的分析和研究,研究范围内的煤体体系是处于1个无穷大的底壳平面内,故在其边界处于临近地层的作用,其变形可认为是0,采用平面应变模型进行研究分析[10-11]。1.3模型参数的选取采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服[12]准则式(1)判断岩体的破坏时,岩石的力学参数主要包括弹性模量E、材料的泊松比μ、抗压强度σc、抗拉强度σt、黏聚力C、内摩擦角φ,当fs>0时,煤岩体将发生剪切破坏;岩体具有很小的抗拉强度,因此常根据σ3>σt判断岩体是否产生拉破坏。fs=σ1-σ31+sinφ1-sinφ-2C1+sinφ1槡-sinφ(1)根据岩石力学试验得到岩芯力学参数,综合岩石的尺度效应,采用的岩体力学参数见表1。表1煤岩力学参数表岩石名称厚度/m密度/(kg·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa摩擦角/(°)黏聚力/MPa抗拉强度/MPa中砂岩2 570 7.40 3.82 38.0 3.36 2.0细砂岩40.0 2 830 9.23 5.02 31.5 5.37 1.6细砂岩23 2 770 6.61 3.78 35.0 3.29 1.2粉砂岩8.3 2 418 2.42 0.99 38.7 2.65 0.6粉砂岩4.3 2 541 5.33 2.75 35.0 2.25 0.545#煤层22.0 1 337 0.91 0.37 41.0 0.90 0.15泥岩3.4 2 418 4.51 2.20 35.0 2.25 0.9粉砂岩34.0 2 588 3.88 2.11 36.8 3.26 1.6细砂岩13.5 2 770 8.58 4.43 33.6 4.13 1.72数值建模的运行2.1计算模型初始应力状态对所分析的模型设定完之后,就完成了数值模型的建模过程,就可以对模型进行初始应力平衡的计算。同时还要考虑到地表标高是750 m,井下是+575 m,相差175 m,开挖在模型高度125 m时候开挖,还需上边加50 m的岩体自重应力σ=1.26MPa,求解结果如图2。图2模型初始应力平衡时垂直方向应力图2.2对模型进行开挖开挖过程尽量与尽可能与实际开采过程相符合,第1

参考文献

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