综放开采上覆岩层应力分布和运移规律研究_阴鹏飞.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程背景 综采放顶煤开采技术是我国厚煤层开采的主要 方法之一， 具有巷道掘进工程量小、 井下材料节约等 一系列优点，但同时会造成采空区遗煤多等问题， 其 煤炭采出率并不高。 深入研究厚煤层综放开采情况下 顶板覆岩应力分布和运移动规律，对提高放顶效率、 优化放顶煤技术具有重要的现实参考意义。 图 1综放工作面布置示意图 本文以三元煤矿综采放顶煤 104 工作面为实际 工程背景，该综放工作面位于 5 号煤层，标高 860- 973 m， 平 均 埋 深 400 m。 其 煤 层 倾 角 为 4～11， 平均倾角 8， 较为平缓， 煤层近水平分布。 工作面煤层总厚度约为 11 m，走向总长度约为 2100 m， 倾向总长度 190 m。其布置示意图如图 1 所示。 104 综采工作面北侧是另一个综放工作面 103， 西侧的 102综放面已经回采完毕， 东侧的 106 采面尚未开始回采。 2工作面煤岩应力分布数值模拟 2.1参数选择及模型建立 为研究回采过程中顶板上覆岩层应力分布和变 形运移规律， 文中主要从两个方面对目标综放工作面 模型进行模拟研究。 1 ） 上覆岩层应力沿综放面倾向的分布情况、 塑性 区分布情况； 2 ） 上覆岩层垂直应力分布沿煤层走向的分布变 化情况。 综放开采上覆岩层应力分布和运移规律研究 阴 鹏 飞 （山西焦煤西山煤电股份有限公司西曲矿 ，山西 古交 030200 ） 摘要 以三元煤矿 104厚煤层综放面为实际工程背景， 运用数值模拟软件 FlAC3D， 对综放工作面顶 板覆岩的运移和应力分布规律进行了模拟研究。结果表明 工作面推进 30m左右时， 综放面的上、 中、 下不同部位的覆岩塑性破坏范围均为 6m左右， 随着工作面的推进， 应力逐渐在工作面超前处和采空 区后部集中， 位移量最大的位置出现在采空区后方约 8.5m 处， 上覆岩层最大位移达分别为 375mm、 425mm、 575mm， 实测结果与 Flac3D数值模拟结果一致。 关键词 综放开采 ； 应力分布 ； 运移规律 ； FlAC3D； 数值模拟 中图分类号 TD32文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0092- 03 Research on Stress Distribution and Migration Law of Overlying Strata in Fully Mechanized Top Coal Caving Mining YIN Pengfei （Xishan Coal and ElectricityCo., LTD., Xiqu coal ，Gujiao 030200 , China ） Abstract Taking the actual engineering background of San- yuan coal mine 104coal seam fully mechanized surface， Numerical simulation software FlAC3Dwas used tosimulate the migration and stress distribution ofroofoverburden in fully mechanized working face. The results in- dicate that workingface advancingabout 30 m, on the fully- mechanized face, middle and lower strata fromdifferent parts ofthe plastic damage scope for about 6 m, with workingface advancing, the stress concentration in the back ofmyface and goafin advance gradually, the location of the maximum displacement in goaf behind is about 8.5 m, the maximal displacement of overlying strata is respectively 375 mm, 425 mm and 575 mm, FlAC3Dnumerical simulation results are in agreement with the measured results. Keywords fullymechanized top coal cavingmining; stress distribution ; migration law； Flac ; numerical simulation 92 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 表 1参数设置表 结合实际工程背景和 FlAC3D数值模拟合理需 要， 将模型长宽高分别取值 400m400m350m， 模拟参数设置见表 1， 模型如图 2 所示。 图 2模型图 2.2数值模拟分析 图 3 为综放面推进 30 m时候，工作面中部上覆 岩层塑性破坏区分布例图， 整体而言综放面的上、 中、 下不同部位的覆岩塑性破坏区分布基本相似， 不存在 大的差别， 范围均为 6 m左右， 但随工作面继续推进， 应力逐渐在工作面前方和采空区部位集中。 图 3模型应力塑性区分布图 图 4 为模型垂直应力分布云图， 由图 4 可以看出 受采动影响， 综放面下部区域应力较为集中， 矿压显 现较中、 上部区域明显， 这是由于其下部的 702 采空 区造成的围岩的侧向应力与放顶开采采动应力相互 叠加， 造成更大程度的应力集中。 图 4垂直应力分布区域图 随综放工作面的开采推进， 应力集中在工作面前 方覆岩和采空区覆岩处明显凸显。由图 5 可以看出， 应力最高峰值约为 8MPa，出现在距煤壁距离约 9m 处。采动应力影响的范围大约为 30m左右。 而随工作面继续推进， 应力峰值逐步降低且趋于 平缓， 应力集中范围缩小， 采动影响超前距离有所减 小， 影响范围区域较为稳定。 图 5工作面顶板岩层超前压力分布 3现场实测 3.1测量方法及测点布置 为验证模拟方法的科学适用性， 本文对工作面上 覆岩层实际位移量进行测量， 验证采动应力在上覆围 岩的集中分布情况。测量思路是在顶板中布置钻孔， 安装逆止爪， 随着工作面的推进可以记录顶板和顶煤 距煤壁的总位移。所布置钻孔直径 60 mm， 间距 6 m， 共 6 个， 钻孔内部布置设点， 从工作面大约 120 m 处 开始布置， 钻孔示意图见图 6。 图 6钻孔测点布置图 岩层 体积 模量 K\GPa 剪切 模量 G\GPa 密度 d\kg.m-3 摩擦角 f\ 粘贴力 C\MPa 抗拉 强度 t\MPa 上覆岩层25.120.424112626.83.12 老顶26.721.124512727.27.45 直接顶15.510.724121413.12.06 煤层11.45.41355193.141.88 直接底13.510.22237302.551.97 93 ChaoXing （上接第 91 页 ） 而逐渐减小。当测试深度为 7m 时， 注水量基本不受 工作面采动的影响， 由此可知， 采用膏体充填开采对 底板的破坏深度约为 6m，并且工作面回采期间底板 未出现涌水量异常的情况。 5结论 庞庞塔矿 5 煤层为承压开采， 通过理论分析和 计算得知， 5- 108 工作面回采导致底板塑性破坏深 度为 11.2m，工作面回采期间底板存在极大的太灰 水突水出危险，因此设计采用采空区膏体充填进行 开采，通过分析计算确定充填体所需的强度为 2MPa， 充填步距为 2.4m， 应用过程中进行底板注水 实验， 监测结果表明， 充填开采底板的破坏深度减小 为 6m， 并且工作面未出现异常的涌水情况， 取得了 良好的应用效果。 参考文献 [1] 宋文成,梁正召,赵春波.承压水上开采沿工作面倾向底板 力学破坏特征 [J]. 岩石力学与工程学报,2018,37 （09） 2131- 2143. [2] 孙希奎,常庆粮.承压水上膏体充填率与充填体强度对底 板破坏深度的影响[J].煤矿安全,2017,48 （06） 180- 183. [3] 刘伟涛. 岱庄煤矿下组煤承压水上膏体充填开采安全性 研究[D].中国矿业大学,2017. [4] 高振宇,何渊,任建刚,刘小雄.布尔台矿 42201 工作面底板 砂岩承压水防治技术[J].煤矿安全,2017,48 （S1） 43- 47. 作者简介 和杰， 男， 汉族， 出生于 1990 年 7 月， 山西文水人， 本科， 2015 年 7 月毕业于中国矿业大学，现从事煤矿开采技术管 理工作， 初级工程师。（收稿日期 2019- 11- 11） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 3.2实测结果分析 将 6 个钻孔的 6 个测点分为 3 个基站组， 每个基 站组包含 2 个测点， 所测得数值取平均范围， 会缩小 测量结果的误差。 图 7 为测点分组后测得的覆岩实际 运移量。由图 7 可以看出， 3 组测点所测得工作面上 覆岩层受采动影响开始运移的位置均为距工作面距 离 30 m左右处位置，位移量最大的位置均出现在采 空区后方约 8.5 m处，均与前文数值模拟结果吻合。 由图 7 还可以看出，上覆岩层最大位移达分别为 375mm、 425mm、 575mm左右。 图 7位移观测图 4结论 1 ） 工作面推进 30m 左右时， 综放面的上、 中、 下 不同部位的覆岩塑性破坏区分布基本相似， 不存在大 的差别， 破坏范围均为 6m左右。 2 ） 受采动影响， 综放面下部区域应力较为集中， 矿压显现较中、 上部区域明显， 这是由于下部 702 采 空区造成的围岩的侧向应力与放顶开采采动应力相 叠加所造成的。 3 ） 通过在顶板钻孔安装测点， 测得覆岩实际运移 量。 结果显示综放面上覆岩层受采动影响开始运移的 位置均出现在为距工作面距离 30m 左右处位置， 位 移量最大的位置出现在采空区后方约 8.5m处，上覆 岩层最大位移达分别为 375 mm、 425 mm、 575 m， 实 测结果与 Flac3D数值模拟结果一致。 参考文献 [1] 程远平， 付建华， 俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 [J].采矿与安全工程学报， 2009，（02） 127- 139. [2] 周声才， 李栋， 张凤舞. 煤层瓦斯抽采爆破卸压的钻孔布 置优化分析及应用[J].岩石力学与工程学报， 2013，（04） 807- 813. [3] 袁亮， 郭华， 李平.大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽 采理论与技术[J].煤炭学报， 2013，（01） 1- 8. [4] 李赓， 张延良， 王东等.煤矿瓦斯抽采数据实时分析系统 的实现[J]， 河南理工大学学报自然科学版， 2015，（04） 543- 546. 作者简介 阴鹏飞 （1983-） ， 男， 山西古交市人， 毕业于太原理工大 学， 本科学历， 助理工程师， 主要从事煤矿开采方面工作。 （收稿日期 2019- 11- 15） 94 ChaoXing