關(guān)于近距離煤層群下行開采切眼錯(cuò)距確定分析的研究
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作者：張毅
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬分析越來(lái)越多的利用到礦業(yè)工程中來(lái)，成為主要的研究手段之一。在地應(yīng)力研究方面，F(xiàn)lac、Flac3D以及UDEC分析軟件運(yùn)用較多。本文以某礦井的9、101、102近距離煤層為研究對(duì)象，利用基于三維顯式有限差分法的工程力學(xué)數(shù)值模擬軟件Flac3 D對(duì)礦井實(shí)例進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。
1 工程實(shí)際
1.1 煤層
某礦井煤層綜合柱狀圖如圖1所示。
1.2工作面布置
根據(jù)采區(qū)設(shè)計(jì)，在礦井的東部，布置了10603工作面，10602面采空區(qū)位于10603工作面北部，102層煤采空區(qū)位于10603工作面西部，10605待采工作面位于10603工作面南側(cè)；F25-1斷層位于10603工作面東側(cè)，9煤工作面煤柱下方布置10603工作面切眼。
2模型構(gòu)建
2.1 幾何模型
根據(jù)煤層條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的可行性，本次數(shù)值模擬的模型涵蓋8煤頂板至102煤層底板，以10603工作面切眼為重點(diǎn)研究對(duì)象，分析其在上煤層9煤回采后與9煤采空區(qū)、煤柱之間的位置關(guān)系。切眼：高×寬= 2m×5m。模型模擬幾何尺寸：長(zhǎng)x×寬y×高x =120m x160m×55m。
為了使得計(jì)算結(jié)果切合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，即10603工作面切眼位置在開 挖切眼周圍位置，所建模型如圖2所示。
2.2模型邊界條件
如圖3所示，模型底部、左側(cè)、右側(cè)均設(shè)置為固定邊界，無(wú)水平位移；模型上部設(shè)置加載邊界，按式
- 計(jì)算。
式中：P為加載應(yīng)力大小，單位M Pa；y為上覆巖層的平均容重，單位N/m3，大小為2.5 x104；H為模型頂部垂直深度，單位m，大小為120m。
2.3模擬方案及過(guò)程
模擬計(jì)算過(guò)程分兩步：
1)模擬開采上位煤層9煤工作面，分析9煤開采后形成的塑性區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)；
2)假想一個(gè)10603工作面開切眼位置，模擬分析該位置條件下切眼圍巖應(yīng)力分布、破壞規(guī)律，并根據(jù)分析結(jié)果，得出最佳開切眼位置。
數(shù)值模擬方案如圖4所示。
2.4模擬參數(shù)選取
本次模型的破壞準(zhǔn)則，遵循莫爾一庫(kù)侖( Mohr- Coulomb)屈服準(zhǔn)則，如式(2)所示。
表1為模型中巖體的力學(xué)參數(shù)。
3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析
3.1 圍巖應(yīng)力分布
對(duì)9煤進(jìn)行回采后，工作面圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布并達(dá)到平衡，如圖5所示。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的假想10603工作面切眼位置應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖6所示。
從圖5、圖6中可以看出，在采空區(qū)兩側(cè)均形成應(yīng)力集中帶。9煤層采空區(qū)下方10603工作面，應(yīng)力集中中心距離工作面1m左右的位置，應(yīng)力集中總體影響區(qū)域主要為10603工作面預(yù)開切眼的右側(cè)和下部，且右側(cè)影響范圍達(dá)7m，下部影響范圍近10m，對(duì)工作面安全生產(chǎn)影響嚴(yán)重區(qū)域?yàn)橛覀?cè)4m，下部3m。
3.2 圍巖破壞規(guī)律
如圖7所示，9煤層回采開挖后，對(duì)10煤層的頂、底板均產(chǎn)生了破壞。其破壞方式以拉張破壞為主，分布于9煤層的采空區(qū)上方；上覆巖層彎曲下沉區(qū)域?yàn)樗苄宰冃沃饕獏^(qū)域，該區(qū)域的上部巖層未受到9煤回采的采動(dòng)影響�？傮w來(lái)看，9煤回采的采動(dòng)影響范圍為：影響上部巖層高達(dá)26m，對(duì)底板破壞深至5. 6m。其中嚴(yán)重影響區(qū)域范圍為：頂部9m，底板3m左右。
3.3 10603工作面開切眼最佳位置
在近距離煤層開采中，下鄰近層開采對(duì)上鄰近層的采動(dòng)影響的一個(gè)主要因素就是兩相鄰煤層之間的間距。并且，進(jìn)行下煤層回采巷道的布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮上下煤層之間的這種影響關(guān)系，其中，上煤層的回采巷道布置、煤柱留設(shè)位置及采場(chǎng)的應(yīng)力分布是下位煤層回采工作面布置的主要影響因數(shù)。內(nèi)錯(cuò)距一般指兩巷之間的水平距離，在近距離煤層開采中，其作為兩鄰近煤層工作面布置的一個(gè)重要參數(shù)。內(nèi)錯(cuò)距選確定的原則主要有：下位煤層的工作面巷道應(yīng)布置在采場(chǎng)應(yīng)力降低區(qū)域；下位煤層工作面的頂板應(yīng)盡可能的保持完整，降低巷道 支護(hù)成本。
綜合上述模擬分析，綜合102煤層地質(zhì)資料，10603工作面預(yù)開切眼與9煤中采空區(qū)保護(hù)煤柱錯(cuò)距應(yīng)大于5m。
4結(jié)論
1)9煤層回采后，10603工作面預(yù)開切眼圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布，應(yīng)力集中區(qū)域分布于采空區(qū)右側(cè)和底板巖層，總體上，9煤回采產(chǎn)生的應(yīng)力集中范圍為：右側(cè)7m，底板10m。
2)從圍巖的破壞規(guī)律來(lái)看，圍巖以拉張破壞為主，分布于9煤層的采空區(qū)上方；上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，且該區(qū)域?yàn)樗苄宰冃沃饕獏^(qū)域。總體來(lái)看，9煤回采的采動(dòng)對(duì)上覆巖層影響的范圍大于對(duì)底板的影響范圍。其中嚴(yán)重影響區(qū)域范圍為：上方9m以內(nèi)的上覆巖層，下方3m以內(nèi)的底板巖層。
3)圍巖應(yīng)力及圍巖破壞規(guī)律分析，結(jié)合102煤層地質(zhì)資料，上位煤層9煤開采后，下位煤層102煤中10603工作面切眼與9煤保護(hù)煤柱的錯(cuò)距應(yīng)大于5m。
5 摘要：在近距離煤層群的開采中，工作面巷道位置選擇直接影響其支護(hù)方式、頂?shù)装骞芾淼壬a(chǎn)工作。為了得到下位煤層工作面切眼的合理位置，利用基于三維顯式有限差分法的計(jì)算工具Flac3D，以礦井近距離煤層9、101、102為工程實(shí)例，分析了在近距離煤層群回采時(shí)期，下鄰近層綜采工作面切眼位置與上鄰近層預(yù)留保護(hù)煤柱錯(cuò)距。結(jié)果表明，上鄰近層回采后，在其因支承壓力和拉張作用下的下沉盆地中巖層內(nèi)，主要發(fā)生塑性變形；上覆巖層破壞范圍為26m，底板破壞范圍為5. 6m，采空區(qū)左右兩側(cè)破壞范圍3~5m;下位煤層10603工作面切眼與上位煤層9煤保護(hù)煤柱錯(cuò)距應(yīng)大于5m。
