工作面回采对上山巷道群影响数值模拟研究.pdf

CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘0引言红墩子矿区某矿正在进行 3 条上山的掘进探煤工作，下一阶段将完成首个工作面的布置与装备配套工作。确定井田岩体应力分布规律，进行岩体应力分区，对研究首个开采工作面的矿压显现规律、选择工作面开采技术参数和巷道支护方案至关重要。采区内有回风上山、运输上山和轨道上山 3 条上山巷道，工作面回采对上山巷道稳定性影响较大，确定适当的工作面停采线位置对维护上山巷道稳定性，保证矿井经济效益具有重要意义1。1矿井概况该矿区地处宁夏回族自治区东部的银川市，行政划归隶属于滨河新区。该矿距临河镇约 10km，与银川市区相距 30km，东距鄂托克前旗 70km。矿井设计生产能力为 240 万 t/a，矿井采用立井转暗斜井的开拓方式，其中主井、副井、风井均为立井，同时布置暗主斜井、暗副斜井与暗回风斜井 3 条，并作为首采区的 3条上山巷道，在 3 条暗斜井的南北两侧分别布置工作面进行开采，开采初期首先开采 4 煤与 5 煤，剩余的 8煤、9 煤、10 煤后期开采。首 采 区 南 以 井 田 边 界 为 界、北 以 红 墩 子 断 层 为界、西以煤层露头风氧化带煤柱为界、东以+450m 水平为界，井田南北最长约 9.2km，东西最宽约 4.6km，井田面积约 32.6km2。地质勘探报告显示，首采区共发现断层 16 条，其中 F11 断层（012m）与 F12 断层（021m）落差较大，分布在 3 条暗斜井南侧；其余 14条断层分布于整个采区，主要为斜切断层，对工作面回采有较大影响。该煤矿布置 3 条集中上山，分别为回风上山、运输上山和轨道上山，3 条集中上山布置方式及支护形式如下。回 风 上 山：断 面 形 状 为 半 圆 拱 形，净 断 面 积24.6m2，支护形式为锚杆+锚索+钢筋梯子+W 型钢带+网片+喷浆联合支护。运 输 上 山：断 面 形 状 为 半 圆 拱 形，净 断 面 积19.5m2，支护形式为锚杆+锚索+钢筋梯子+W 型钢带+网片+喷浆联合支护。轨道上山：断面形状为半圆拱，净断面积 16.4m2，支护形式为锚杆+锚索+钢筋梯子+W 型钢带+网片+喷浆联合支护。根据首采区钻孔揭露的煤层赋存条件，首采区主采煤层为 4 煤和 5 煤。其中 4 煤的煤层厚度介于 0.352.46m 之间，平均煤层厚度为1.7m，煤层倾角介于1525之间，平均约为 17。直接顶以粉砂岩为主，局部区域为泥岩与细砂岩，岩体质量中等，普氏系数平均为1.8，属较软岩石；直接底为粉砂岩与细砂岩。5 煤的煤 层 厚 度 介 于 1.095.41m 之 间，平 均 煤 层 厚 度 为3.42m，煤层倾角介于 1923之间，煤层倾角平均为20。直接顶岩性复杂，包括粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩等，局部含有炭质泥岩伪顶。直接底为粉砂岩与细砂岩，局部含有炭质泥岩与泥岩伪底，岩层厚介于 510m 之间。3 条上山属于永久巷道，服务年限与本矿井服务年限相同，3 条集中上山正常、稳定对煤矿安全生产至关重要。为保证生产安全，对首采工作面推进至与 3条集中上山不同空间位置时，工作面开采对集中上山稳定性的影响进行数值模拟分析。2回采过程矿压显现特征数值模拟研究2.1 数值模拟模型建立模型选取部分首采工作面、回风上山、运输上山工作面回采对上山巷道群影响数值模拟研究韩韶泽，王帅（中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113000）摘要：红墩子矿区某采区为中厚煤层，采区内有回风上山、运输上山和轨道上山3条上山巷道，工作面回采对上山巷道稳定性影响较大，借助FLAC3D数值模拟软件，研究首采工作面回采矿压显现规律及最终停采线位置，保证上山群巷道的稳定性。关键词：回采工作面；数值模拟；上山巷道群中图分类号：TD353文献标识码：A85煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 采 掘及轨道上山，模型大小为 720m140m480m，单元总数为 406123，节点 425172，数值计算模型如图 1 所示。图 1 数值计算模型该数值计算模型的四个侧面限制水平移动，底面为 固 支，上 表 面 施 加 上 覆 岩 层 自 重 应 力。材 料 以Mohr-Coulomb 为破坏准则，煤层与顶底板岩层间的交界面用 interface 模拟，模型围岩物理力学参数如表1 所示。表 1 围岩力学特性参数岩性细粒砂岩粉砂岩粗粒砂岩砂质泥岩4煤5煤容重/（kg m-3）259426012654258825232523体积模量/GPa1.81.72.11.21.111.11剪切模量/GPa1.61.51.81.10.730.73内摩擦角/333435313232黏聚力/MPa1.41.31.90.460.960.96抗拉强度/MPa0.661.11.810.360.560.56计算模型边界条件：模型沿 X 轴方向在两端边界施加约束，在 X 方向边界的位移为零；模型沿 Z 方向在两端边界施加约束，使得 Z 方向边界的位移为零；模型底部边界固定，在模型底部边界 X、Y、Z 三个方向位移均为零；模型顶部为自由边界。载荷条件：依据该矿的应力测量结果，经过计算可以确定模型沿 X 轴方向施加 11.1120.21MPa 的梯度应力；模型沿 Z 轴方向施加 7.7310.52MPa 的梯度应力；在模型顶部施加以 14.56MPa 的载荷，Y 轴方向设定为自重载荷。2.2 工作面矿压显现规律分析工作面回采过程中的垂直应力的分布情况，如图2图 5 所示。从图中可以看出，随着工作面回采，工作面超前区域的支承压力峰值及其影响范围逐渐增大：当 工 作 面 推 进 50m 时，超 前 支 承 压 力 的 峰 值 为26.40MPa，其 影 响 范 围 达 到 34m，应 力 集 中 系 数 为1.76；工 作 面 推 进 100m 时，超 前 支 承 压 力 的 峰 值 为30.51MPa，其影响范围可以达到 50m，应力集中系数为 2.03；工作面推进 150m 时，超前支承压力的峰值为30.86MPa，应力集中系数 2.12，其影响范围为 55.2m。图 2 回采 50m 时采动应力分布图 3 回采 100m 时采动应力分布图 4 回采 150m 时采动应力分布图 5 回采 200m 时采动应力分布2.3 工作面开采对暗斜井影响分析工作面推进过程中，超前采动应力将对上山群产生影响，因此确定合理的停采线位置至关重要。工作面不同推进距离 3 条上山应力分布规律如图 6 所示，轨道上山应力值如表 2 所示，应力曲线如图 7 所示。（a）工作面距轨道上山 180m（b）工作面距轨道上山 140m（c）工作面距轨道上山 100m86CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 采 掘（d）工作面距轨道上山 60m（e）工作面距轨道上山 20m图 6 工作面不同推进距离时上山应力分布规律表 2 工作面位置与轨道上山围岩应力变化表工作面距轨道上山位置/m1801401006020轨道上山围岩应力左帮/MPa22.8823.1424.3727.9333.26集中系数1.531.541.621.862.22右帮/MPa22.5422.9424.3427.9632.37集中系数1.501.531.621.862.16顶板/MPa16.9917.7718.5222.0723.86集中系数1.131.181.231.471.59底板/MPa17.8318.0618.7521.6723.27集中系数1.191.201.251.441.55图 7 轨道上山围岩应力值与工作面位置对应关系根据工作面距轨道上山不同位置时，轨道上山围岩应力变化曲线可知：工作面推进距轨道上山 20180m范围内，轨道上山围岩应力变化规律可划分为 3 个区。第一，应力快速增加区：工作面距轨道上山小于 45m，轨道上山围岩应力呈快速增加趋势。工作面距轨道上山30m 时，两帮应力为 31.8032.29MPa，应力集中系数为 2.122.15；工作面距轨道上山 20m 时，两帮应力为32.2733.26MPa，应力集中系数为 2.162.22。工作面在此阶段推进时，应力集中系数整体大于 2，工作面开采会对轨道上山稳定性产生较大影响。第二，应力缓慢增加区：工作面距轨道上山 4595m，轨道上山围岩应力缓慢增加。工作面距轨道上山 70m 时，两帮应力为27.0327.08MPa，应力集中系数为 1.801.81；工作面距轨道上山 45m 时，两帮应力为 29.5829.69MPa，应力集中系数为 1.971.98。工作面在此阶段推进时，应力集中系数整体小于 2，工作面开采会对轨道上山稳定性产生影响。第三，应力平稳区：工作面距轨道上山95180m，轨道上山围岩应力呈现平稳趋势。工作面距轨道上山 180m 时，围岩岩体应力集中程度较低，两帮应 力 为 22.5422.88MPa，应 力 集 中 系 数 为 1.501.53，工作面距轨道上山 95m 时，两帮应力为 24.3424.37MPa，应力集中系数为 1.62，工作面在此阶段推进时，对轨道上山稳定性影响较小。2.4 工作面停采线合理位置确定根据上山群巷道围岩应力变化规律，制订 4 个工作面停采线位置方案。第一，当工作面停采线距轨道上山为 30m 时，轨道上山两帮应力为 2.2931.80MPa，应力集中系数为 2.122.15，均大于 2，工作面开采会对轨道上山围岩稳定性产生较大影响，确定工作面停采线距轨道上山 30m 为不可行方案。第二，当工作面停采线距轨 道 上 山 为 60m 时，轨 道 上 山 两 帮 应 力 为 28.3228.56MPa，应力集中系数为 1.931.94，均小于 2，工作面开采会对轨道上山围岩稳定性产生一定的影响，从应力集中系数角度分析，工作面停采线距轨道上山 60m 为可行方案。第三，工作面停采线距离上山 60100m 时，轨道上山两帮围岩应力为 24.3429.58MPa，应力集中系数为 1.621.98，应力集中系数均小于 2，说明工作面停采线布置在应力缓慢增加区是可行方案。综合考虑采动应力影响和提高煤炭资源回收率等影响因素，建议将停采线距轨道上山距离调整为 70m。第四，工作面停采线距轨道上山 95180m 时，数值模拟结果表明，轨道上山两帮围岩应力 22.8825.39MPa，应力集中系数为 1.501.62，应力集中系数较小，说明轨道上山受工作面开采影响很小。从提高煤炭资源量回收量方面考虑，为不可选方案。综上所述，建议将停采线距轨道上山距离调整为 70m。3结语由于首采工作面为整个该矿区首个开采工作面，工作面开采过程中的覆岩运动与矿压显现规律尚不清楚。3 条上山服务于该煤矿首采区 4 煤、5 煤开采时期，是矿井的永久巷道，巷道稳定性对红一煤矿安全高效开采至关重要。采用 FLAC3D 数值模拟软件研究回采过程中工作面矿压显现规律及停采线位置对上山群巷道围岩应力影响规律，确定停采线距离轨道上山位置为 70m 时，工作面对轨道上山影响小，且可保证煤炭回收率。参考文献：1荣海，韩永亮，张宏伟，等.红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析J.煤田地质与勘探，2020（5）：144-151.作者简介：韩韶泽（1995-），男，汉族，山西长治人，硕士，研究实习员，从事矿井通风与防灭火及瓦斯防治工作。王帅（1990-），男，汉族，辽宁鞍山人，硕士，副研究员，从事矿井通风防灭火及瓦斯防治工作。责任编辑：张梦87