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不同倾角煤层应力分布规律研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 210次


龚锐1

(1. 新疆维吾尔自治区尼勒克县豫兴煤矿,尼勒克县,835700)

摘要:针对中倾斜煤层开采过后应力分布规律问题,建立不同倾角煤层的数值模型,模拟分析了中倾斜煤层在动压作用下围岩应力变化的过程。通过模拟结果的分析,在煤层倾角为30~45°时,围岩应力集中区域逐渐向下帮部底角区域转移和向上帮部顶角区域转移,且应力集中区域范围逐渐变小;在煤层倾角为30~45°时,围岩应力的大小随着煤层倾角增大而增大;煤层倾角为40°、45°时,围岩应力呈现出了较强不对称性。研究中倾斜煤层工作面围岩应力集中区域的变化规律,对于提升中倾斜煤层工作面开采的安全性具有很重要的指导意义。

关键词:不同倾角;应力集中;围岩应力

中图分类号:TD 322           文献标识码:A       文章编号:

0  引言

中倾斜煤层是指煤层倾角为 25°~45°的煤层,我国中倾斜煤层约占煤炭总储量的15%,其年产量约占全国煤炭总产量的7%。通过大量实验与实践表明,中倾斜煤层开采所造成的围岩破坏变形与一般条件下的煤层相比有很大的差异,以至于中倾斜煤层巷道支护困难,维护费用大大增加,特别是动压中倾斜煤层巷道的支护问题成为影响煤矿安全生产的主要因素。因此,在现有的围岩控制理论和方法的基础上,用合适的方法,研究中倾斜煤层工作面围岩应力集中区域的变化规律对于提升中倾斜煤层工作面开采的安全性具有很重要的指导意义。

国内外学者在不同倾角煤层应力分布规律有诸多研究,尹光志等[1]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;王旭杰[2]大倾角特厚煤层综放开采区段煤柱合理尺寸优化与研究;王红伟[3]大倾角煤层开采覆岩结构特征分析;郑军[4] 大倾角厚煤层放顶煤开采覆岩运动规律与矿压特征研究;蔡瑞春[5]大倾角煤层开采矿压特征及围岩控制技术研究;李浩春[6]大倾角特厚度复合顶板巷道变形破坏特征与稳定性控制研究;温明明[7]大倾角煤层综采面围岩活动规律与支架适应性研究;郝海明 [8]不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟。上述研究极大的丰富了我国大倾角下开采应力分布的理论,为指导实践生产提供了支撑。

以某矿工作面作为模型研究对象,采用FLAC3D数值模拟软件对不同倾角煤层开采过后的围岩应力集中区域和应力大小的变化过程进行模拟分析,模型共模拟开采煤层上下50m的范围。

1 数值模型的建立

模型长宽高为60m*50m*130m,划分为390000个单元格。

数值模拟共建立3个模型实验方案,3个实验模型方案的煤层厚度、采高以及煤层周围岩性都相同,而煤层的倾角分别为30°、40°、45°。

如图1a-c所示模型四周以及下部边界为法向位移约束,上部岩层重力采用均匀分部载荷代替,施加0.25MPa荷载,模拟模型煤层距地表埋深50m。

1(a)30°初始模型                  (b)40°初始模型                   (c)45°初始模型   

模拟结果分析

2.1  不同煤层倾角应力分布分析

不同煤层倾角情况下应力集中区域分布云图如图2a-c所示。由模拟结果可以知道,随着煤层倾角的变化,围岩的应力集中区域也发生了变化。在煤层倾角为30°时,巷道围岩两帮中部为应力集中区域,且从图中可以看出应力区域面积大;在煤层倾角为40°时围岩应力集中区域逐渐向下帮部底角区域和上帮部顶角转移,应力区域面积逐渐减小;在煤层倾角为45°时,围岩应力相对较大的区域位于下帮部底角区域,应力区域面积明显变小。由此可以说明,煤层倾角的增大,会使围岩应力集中区域逐渐向下帮部底角和上帮部顶角区域转移,并且应力区域面积逐渐减小。

           

2(a)30°煤层倾角应力分布      (b)40°煤层倾角应力分布云图         (c)45°煤层倾角应力分布云图

围岩应力与倾角的关系

为了深入了解巷道围岩应力大小在采煤过程中的变化过程,在三次模拟实验中,分别提取倾斜煤层上60个点的应力大小进行分析。如图3所示。

           图3应力大小曲线图

由应力大小曲线图可以看出,倾斜煤层上帮部和煤层下帮部的应力均在煤层倾角为45°时达到最大值,在煤层倾角为30°时为最小值;上帮部应力和下帮部应力在煤层倾角小于45°时,围岩应力随煤层倾角增大而增大。在煤层倾角为30°时,上帮部中部应力和下帮部中部应力相差不大,呈现了对称性;在煤层倾角为40°、45°时,下帮部中部应力较上帮部中部应力稍微增大,围岩应力呈现出较强的不对称性。

4   结论

1.通过模拟结果的分析,得知在煤层倾角为30~45°时,围岩应力集中区域逐渐向下帮部底角区域和向上帮部顶角区域转移,且应力集中区域范围逐渐变小。

2.当煤层倾角为30~45°时,围岩应力的大小随着煤层倾角增大而增大。

3.煤层倾角为40°,45°时,围岩应力呈现出了较强不对称性。由此可以推断出,当煤层倾角大于40°时,围岩应力将会出现较强的不对称性。

 

参考文献

[1]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.

[2]王旭杰. 大倾角特厚煤层综放开采区段煤柱合理尺寸优化与研究[D].太原理工大学,2013.

[3] [D].西安科技大学,2010.

[4]郑军. 大倾角厚煤层放顶煤开采覆岩运动规律与矿压特征研究[D].河南理工大学,2011.

[5]蔡瑞春. 大倾角煤层开采矿压特征及围岩控制技术研究[D].安徽理工大学,2009.

[6]李浩春. 大倾角特厚度复合顶板巷道变形破坏特征与稳定性控制研究[D].太原理工大学,2014.

[7]温明明. 大倾角煤层综采面围岩活动规律与支架适应性研究[D].中国矿业大学(北京),2014.

[8]郝海明,赵光明. 不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟[J]. 煤矿安全,2013,05:66-68.

收稿日期:2016-3-28

基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金项目资助(编号: 2014211B005

第一作者:龚锐(1976—),男,本科,现任职于尼勒克县豫兴煤矿,主要从事采矿方法和煤层围岩控制方面的研究。

 

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