采区煤柱受采动影响应力及破坏规律数值模拟研究_潘帅.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 采区煤柱是否稳定可靠直接关系到工作面回采 巷道的稳定性， 是影响工作面能否顺利将煤采出的关 键因素[1]。 由于一条采区煤柱多服务两个回采工作面， 受到二次采动效应的影响，煤柱两帮会发生破坏， 巷 道变形严重会影响工作面回采设备的推进[2]， 煤柱的 片帮则危及工作人员的生命安全。因此， 本文对采区 煤柱受采动影响下应力及应变动态演变规律进行了 数值模拟研究， 有助于更科学的设计煤柱参数， 防止 煤柱失稳所带来的安全事故[3]。 1矿井概况 经坊煤矿 11煤位于为位于太原组中上部， 煤层 厚 0～4.11m， 平均 1.1m， 煤层结构简单， 层位较稳定， 埋深为 115～127m。本文针对 11煤层首采工作面 3- 807 综采工作面宽和 3- 808 综采工作面煤柱进行 研究， 简称 3- 807/808 煤柱。3- 807 工作面宽 175m， 采高为 4m， 煤柱宽度为 45m。 顶板为泥岩、 砂质泥岩； 底板为砂质泥岩、 泥岩、 细砂岩。11煤及围岩力学性 质如表 1 所示。 表 111煤及围岩力学性质表 2建立模型及模拟方案 本文采用 FLAC3D 软件对采区煤柱受采动影响 下应力及应变动态演变规律进行了研究[4]。根据经坊 煤矿地质条件建立模型， 尺寸 110m300m80m。 工 作面沿着 Y轴进行推采[5]。 本文共设计两种模拟方案。方案一 回采巷道形 成后， 模拟右侧首采工作面回采。 方案二 首采工作面 回采结束后模拟左侧工作面回采。如图 2 所示。 采区煤柱受采动影响应力及破坏规律数值模拟研究 潘帅 （山西省长治经坊煤业有限公司 ， 山西 长治 047100 ） 摘要 本文以经坊煤矿 11煤层首采工作面为背景， 采用数值模拟的方法， 对采区煤柱受采动影响 的应力及破坏规律进行了研究。 研究表明 单侧工作面开采后煤柱内应力呈单峰状分布， 煤柱右侧 4m 区域内为塑性破坏区，煤柱右侧基本不受开采影响。两侧工作面回采后煤柱内应力呈对称双峰状分 布， 峰值应力达到 40MPa， 煤柱两帮塑性变形深度大约 6m。煤柱在工作面开挖过程中， 帮部围岩变形 可分为变形缓慢增加、 变形急剧增加、 变形减速、 变形稳定四个过程。 其中变形急剧增加为煤柱主要变 形增加阶段， 是煤柱片帮事故的多发阶段。 关键词 采区煤柱 ； 二次采动 ； 破坏规律 ； 数值模拟 中图分类号 TD315.3文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0094- 03 Numerical Simulation Study on Stress and Failure Law of Coal Pillar Affected by Mining PAN Shuai （Shanxi Changzhi JingfangCoal IndustryCo., Ltd. , Changzhi 047100 , China ） AbstractBased on the background ofNo. 11 coal seam first miningface in JingfangCoal Mine, this paper studies the stress and failure lawof coal pillar affected by mining by numerical simulation. The results showthat the stress distribution in the pillar is single- peak after mining in one- sided working face, and the plastic failure area is 4 m on the right side of the pillar, and the right side of the pillar is basically unaffected by mining. The stress in the coal pillar is symmetrical and bimodal after mining at both sides of the working face. The peak stress reaches 40 MPa, and the plastic deation depth of the two sides of the coal pillar is about 6 m. During the excavation of coal pillar, the deation of surrounding rock can be divided into four processes slowincrease of deation, sharp increase of deation, deceleration of deation and stability of deation. Among them, the rapid increase of deation is the main increase stage of coal pillar deation, which is the frequent stage ofcoal pillar flank accidents. Key wordscoal pillar in miningarea; twominingoperation ; failure law； numerical simulation 岩层 厚度 /m 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 密度/ kg m-3 内摩擦 角/ 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 上覆岩层24.65.03.52650356.62.5 基本顶11.65.33.02550374.61.8 直接顶1.42.82.12500303.61.2 煤层2.92.41.11450281.20.8 直接底1.95.64.02680317.53.2 基本底6.23.22.82600373.01.2 下覆岩层19.85.43.22580364.01.3 94 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 图 1数值模型 图 2模拟方案 3煤柱应力应变规律分析 选择在 100m 位置进行垂直应力和垂直应变的 监测。 通过模拟得到单侧及双侧开挖后工作面煤柱的 垂直应力及塑性变形区分布特征， 分别如图 3 、 图 4 所示。 图 3煤柱应力分布曲线 图 4煤柱塑性变形区分布特征图 通过观察图 3 可知， 工作面巷道形成后， 原岩应 力受到破坏，煤柱两侧 8m 区域内形成应力升高区， 在煤壁边缘位置达到峰值为 14 MPa， 煤柱 6～64m区 域应力为 12MPa。 随着煤柱右侧工作面的开挖， 煤柱右侧应力迅速 增加， 应力分布总体呈单峰状。煤柱右侧 4m 区域应 力升高至 27MPa， 该区域由于受右侧工作面开采扰动 已完全破碎， 为塑性破坏区域。在距煤柱边缘 6m 位 置达到峰值 40MPa， 煤柱内所受垂直应力向左侧依次 递减， 在煤柱左侧 10m位置降低到最低 12.7MPa。 方案一完成后， 模拟左侧工作面回采。通过分析 可知 模型开挖 20m， 对监测点应力未产生影响； 模型 开挖 60m， 煤柱受工作面开挖影响， 左侧应力小幅度 增加， 峰值为 17.3MPa； 模型开挖 100 m， 工作面开挖 至监测点位置，煤柱受工作面超前应力影响左侧 8m 区域应力进一步升高， 峰值为 20.7MPa； 模型开挖 140 m， 煤柱左侧应力急剧增加， 峰值达到 34.8MPa， 这是 由于两侧工作面煤体的采空导致顶板载荷完全集中 于工作面煤柱导致的，此时煤柱破坏深度进一步加 深； 模型开挖 140～300 m阶段， 煤柱左侧应力缓慢增 加， 由于工作面逐渐远离监测点， 煤柱受到回采扰动 的影响逐渐减小， 逐渐趋于稳定， 此时， 煤柱监测点位 置垂直应力呈对称双峰状， 峰值应力为 40MPa， 煤柱 中间为弹性内核区， 应力为 19.6MPa。 观察图 4 发现， 双侧工作面开挖后， 由于工作面 煤体采空， 顶板垮落充填采空区， 监测点位置顶部围 岩发生大面积的塑性变形。由于煤柱压力的传导， 巷 道底板围岩也发生塑性变形。 煤柱在双侧工作面开挖 后两帮塑性变形深度大约 6m， 中间 33m 区域处于弹 性状态， 是煤柱的核心承载区， 两侧工作面采空后煤 柱依然稳定。 4煤柱帮部变形破坏规律 为了更深入的研究煤柱帮部的变形破坏特征， 分 别选取监测点 0、 4、 35 m位置监测围岩竖向及横向位 移， 如图 5 所示。 （a ）竖向变形（b）横向变形 图 5煤柱帮部围岩变形破坏规律 煤柱在工作面开挖过程中， 帮部围岩变形大体可 分为四个过程 1 ）变形缓慢增加（OA 段 ） 。工作面推进距离为 0～80 m， 本阶段由于监测点距离工作面较远， 受开采 扰动小， 在此阶段工作面的开采距离为 ， 测点处煤柱 受采动影响较小， 监测围岩竖向及横向位移均缓慢增 加， 0m 处监测点位移较 4、 35m 监测点位移增加较 快，竖向位移最大达到 13.4mm，横向位移最大达到 95 ChaoXing （上接第 93 页） [1]Zhenghe Xu, Jianjun Liu, J. 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