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浅谈不同煤层厚度应力分布规律

时间:2016-09-05来源: 作者: 点击: 137次

                                   

薛成春 侯娅楠 杨淦普 赵龙辉

(新疆大学地质与矿业工程学院,新疆,乌鲁木齐,830049)

摘要:针对研究倾斜煤层开采过后,采空区四周围岩应力分布规律问题,建立不同煤层厚度的FLAC3D数值模型,通过数值模拟展现了倾斜煤层在动压作用下采空区四周围岩应力变化的过程。通过模拟结果可以得出,随开采煤层厚度的增加,采空区两侧煤壁应力大小不断增加,且逐步向煤柱内部转移;随着煤层厚度的增加,围岩应力集中区域逐渐向采空区下帮部底角区域转移,且应力集中区域影响范围逐渐变大;随煤层厚度的增大,采空区上下两个平巷四周围岩应力逐渐增大;采空区四周围岩应力呈现出了较强不对称性等结论。研究不同厚度的倾斜煤层工作面开采过后围岩应力的变化规律,对于提升煤层厚度变化差异较大的倾斜煤层工作面开采的安全性具有重要的指导意义。

关键词:不同煤厚;围岩应力;倾斜煤层

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,我国中倾斜煤层煤炭储量丰富,中倾斜煤层煤炭年产量占全国煤炭总产量的7%左右。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和围岩应力变化比一般条件下开采的煤层变化更为复杂多样,导致中倾斜煤层巷道维护困难,维护费用大大增加,导致费时,费钱,费力。尤其是煤层厚度变化差异较大的中倾斜煤层在开采过程中,由于煤层厚度的变化导致了巷道围岩应力的变化,从而加大了巷道的支护危险性,更影响煤矿安全生产的进行。因此,在现有的围岩控制理论和方法实践的基础上,用合适的数值模拟方法,研究不同煤层厚度的中倾斜煤层工作面及巷道围岩应力的变化规律对于提升中倾斜煤层煤炭开采的安全性具有很重要的指导意义。

目前国内外学者在不同倾斜煤层厚度应力分布规律方面有诸多研究。例如:王旭杰[1]大倾角煤层开采覆岩结构特征分析;尹光志 [2]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;郑军[3] 大倾角厚煤层放顶煤开采覆岩运动规律与矿压特征研究;李浩春[4]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;张爱敏[5],不同厚度煤层AVO特征及模型研究[J]. 中国矿业大学学报. 1997(03)。上述学者的研究极大的丰富了我国倾斜煤层开采应力分布的理论,为指导生产实践提供了理论上的支撑。

本次数值模拟实验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煤层厚度开采过后的采空区四周围岩以及巷道围岩应力集中区域和应力大小的变化过程进行模拟分析,此模型主要模拟煤层上下40m的围岩范围。

1 FLAC数值模型的建立

数值模型长宽高为100m*50m*155m,共划分为775000个单元格。

此次FLAC3D数值模拟实验共建立3个实验方案,3个实验模型方案的煤炭性质和煤层周围岩层岩性都相同,以及具有相同的开采方式和巷道位置布置,而煤层的厚度分别为4m8m12m

数值模型四周边界以及模型下部边界为法向位移约束,岩层重力根据1式计算采用均匀分部载荷代替,并且模型整体施加0.25MPa荷载,以此模拟模型距地表埋深50m。主要岩层分部及各岩层的力学参数见表1

q=ρgz                                   (1)

式中  q——为水平地应力,N

ρ——为各地层岩性密度,kg·-3

g——为重力常数9.8N·kg-1

z——为埋深,m

SEQ 表格 \* ARABIC 1  参数取值

岩层

密度/(kg·m-3)

杨氏模量/(GPa)

泊松比

内聚力/(MPa)

内摩擦角/(deg)

层厚(m)

粗砂岩

2740

10.6

0.24

8.6

38

 

4

 

粉砂岩

2633

20.85

0.25

13.4

36.5

 

4

 

细砂岩

2713

12.91

0.22

9.2

37

 

5

 

中砂岩

2650

6.35

0.23

11.5

36.5

 

4

 

煤层

1390

1.51

0.38

2.5

30

4~12

 

模拟结果分析

2.1  不同煤层倾角应力分布分析

不同煤层厚度开采情况下应力区域分布云图如图2a-c所示。由数值模拟结果可以知道,随着煤层厚度的变化,围岩的应力分布区域也发生了变化。当煤层厚度为4m时,应力集中区域主要分部在采空区下帮中部区域,煤层厚度8m时,应力集中区域主要分部在采空区下帮中下部,煤层厚度12m时,应力集中区域主要分部在采空区下帮部下部,由此可以说明,煤层厚度的增大,会使围岩应力集中区域逐渐向采空区下帮部底角转移,并且应力增大区域面积有变大的趋势,在上帮部应力增大区域明显增大。

围岩应力与煤层厚度的关系

为了深入了解巷道围岩应力大小随煤层厚度的变化而产生的影响,在三次模拟实验中,分别提取倾斜煤层上200个点的应力大小进行分析。如图3所示。

由应力大小曲线图可以看出,开采后的倾斜煤层采空区上帮部和采空区下帮部的应力均在煤层厚度为12m时达到最大值,在煤层厚度为4m时为最小值;上帮部应力和下帮部应力在煤层厚度大于4m的基础上,围岩应力随煤层厚度增大而缓慢增大,并且在煤层开采后应力影响区域内应力明显增大;由应力曲线图可以看出,三个模型的上帮部应力和下帮部应力相较大,呈现了较强的不对称性;煤层厚度较大的煤层开采过后,产生的应力普遍大于煤层厚度较小的煤层开采产生的应力。

  图3应力大小曲线图

4   结论

1.通过数值模拟结果的分析,得知在煤层厚度为4~12m时,围岩应力集中区域逐渐向采空区下帮部底角区域转移,且应力集中区域范围逐渐扩大。

2.当煤层厚度为4~12m时,围岩应力的大小随着煤层厚度的增大而增大。

3.煤层厚度为4~12m时,围岩应力呈现出了较强不对称性。由此可以推断出,当倾斜煤层厚度逐渐增大时,围岩应力将会出现较强的不对称性。

 

参考文献

[2]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.

[3]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.

 [4]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.

[5]张爱敏,汪洋,赵世尊.  不同厚度煤层AVO特征及模型研究[J]. 中国矿业大学学报. 1997(03)

第一作者: 薛成春(1994-),男,本科,现就读于新疆大学地质与矿业工程学院采矿工程系

 

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