平朔井工二矿1103采面初次来压数值模拟与分析(427)

1收稿日期：基金项目：国家“十二五”大型油气田及煤层气开发科技重大专项（2011ZX05041—003）作者简介：南存全，辽宁工程技术大学，矿业学院，副教授，硕士生导师，主要从事矿山压力与动力灾害防治研究；李志鹏（通讯作者），辽宁工程技术大学，矿业学院，硕士研究生，电子信箱：[e-mail]平朔井工二矿1103采面初次来压数值模拟与分析南存全1，李志鹏2，姜聚宇3(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新123000)摘要:中煤平朔集团有限公司井工二矿1103采面为11号煤层的首采工作面，从开采条件和技术上可以概括称之为近距离下煤层综放采空区下大采高综采首采面。近距离下煤层是指即将开采的11号煤层与即将开采完毕的9号煤层平均层间距约4.7m，9号煤层为上层煤层，采用综放采煤法回采，11号煤层为下煤层，且1103首采面在9号煤层的采空区下方，拟采用大采高一次采全高综采采煤法开采。开采条件特殊，为保证安全生产需进行初次来压分析。运用FLAC计算软件模拟分析研究初采阶段初次来压规律，分析判断来压位置和来压强度。结合研究理论分析总结老顶初次来压规律。研究结果对该矿具有重要意义，确保该矿继续安全高效生产，同时也为其它相似地质条件的矿井生产提供重要参考价值。关键词:近距离下煤层；采空区下；大采高综采；初次来压规律TheNumericalSimulationandAnalysisofInitialpressureinPingshuoNo.2SubterraneanCoalMine1103WorkingFaceNanCun-quan1LiZhi-peng2JiangJu-yu3（CollegeofMiningEngineeringLiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China）Abstract：The1103workingfaceofChinaPingshuoNO.2subterraneancoalmineisthefirstworkingfaceof11#coalseam,andfromtheminingconditionsandtechnology,itiscalledthefirstfullymechanizedworkingfaceoflargeheightunderthefullymechanizedcavinggobofclosedistanceundercoalseams.Theclosedistanceundercoalseamsisthattheaveragespacebetweenthe11#coalseamwhichisgoingtobeminedandthe9#coalseamwhichwillbefinishedis4.7m.The9#coalseamistheupperseamandminedwithfullymechanizedcavingminingmethod.The11#coalseamistheunderseam,the1103firstworkingfaceisunderthegobofthe9#coalseamanditisplannedtominedwiththelargeheightandfull-seamminingfullymechanizedminingmethod.UsingFLACtosimulateandanalyzethefirstweightingregularityintheinitialstage,anddeterminethestationandstrengthofweighting.Theresearchresultissignificanttothismine,itnotonlyassurethehighyieldandhighefficiencyofthismine,butalsoprovideimportantreferencetoothermineswhohasthesimilargeologicalconditions.Keywords:closedistancecoalseams;undergoaf;largeminingheightfully-mechanizedface;thefirstweightingregularity0引言我国是世界主要产煤国煤矿事故最严重的国家之一。其中，顶板事故次数在煤矿四大灾害中占有很大比重[1-2]。采场的矿压显现，尤其是老顶的初次来压，是煤矿顶板事故的发生来源。国内外普遍采用现场观测，数值模拟，相似材料模拟等方法对老顶初次来压期间的顶板破坏类型，程度，支护方法都有深入的研究。平朔井工二矿属于近距离煤层综放采空区下大采高工作面矿压本次对平朔井工二矿1103采面的矿压规律通过FLAC数值模拟取得。1工程概况中煤平朔有限责任公司井工二矿的可采煤层中9号煤层即将回采完毕，平朔公司计划对11号煤层进行开采。其中，9号煤层是11号煤层的上层煤。公司对11号煤层拟采用大采高一次采全厚综采放顶煤的方法开采平均厚度达4.87m的煤层。据钻孔资料显示，9号煤层与11号煤层平均间距大约4.7m，属于近距离煤层。井工二矿井田北邻安太堡露天矿坑回填区，南接安家岭露天矿坑回填区。井田南北方向的水平应力较原始水平应力小，井田南北两侧近似形成了简支梁结构。综合考虑，11号煤层在9号煤层煤柱下方的位置，矿压的显现将会十分强烈。另外，1103工作面开切眼恰好处在9号煤层采空区外侧，初采阶段需从9号煤层遗留煤柱外侧边缘开挖，跨过9号煤层煤柱进入采空区下。这些复杂的地质条件使得1103采面初次来压的位置，大小都难以确定，对1103采面的安全生产提出了挑战[3-4]。2FLAC模型的建立平朔井工二矿南部边界为安家岭露天矿的北帮，安家岭露天矿工作线向东推进，追踪内排，其北帮西段已回填。平朔二号井北部边界为安太堡露天矿的南帮，安太堡露天矿工作线也向东推进，追踪内排，其南帮西段也已回填。平朔井工二矿西部边界为安太堡露天矿的一采区，现已全部回填。平朔二号井西部边界与东露天矿接壤，现未开发。因此，从地质力学角度看，平朔井工二矿井田处于南北西三面均已解除水平应力约束的“半岛”状态。在这种条件下平朔井工二矿井田地应力特征为以垂直应力为主的静水应力状态。根据平朔井工二矿现有地质资料，做出本次数值模拟区域的模型建模区域及地层组成图，如图2-1所示图2.1模型建模区域及地层组成Fig.2.1Modelmodelingareaandcompositionofstrata本次数值模拟过程中，采空区内充填的跨落带岩层和露天矿排弃物采用Drucker-Prager模型，对于开切眼及采空区等未冒落充填的空间则采用了null模型。根据经验确的强度折减系数如表2.1所示。表2.1各地层材料力学指标折减系数表Tab.2.1Tabofeachstratamaterialmechanicsindexreductionfactor地层材料名称内聚力折减系数内摩擦角折减系数抗拉强度折减系数顶底板实体岩层0.250.80.25煤层0.10.70.1采空区跨落带0.810.8第三、四纪粘土层0.10.70.1露天矿排弃物0.810.8要模拟初次来压规律需要从开切眼开始，对工作面在不同的推进位置进行模拟，因此，需要建立多个数值模型，不同的模型工作面位置不同，采空区大小不同。以研究工作面不同推进位置时的采场围岩应力场和位移场的变化特征。3FLAC数值模拟结果模拟计算结果以下列图示的形式给出，主要通过分析工作面不同推进位置时工作面周围的位移矢量、垂直应力、塑性屈服等图的分布和变化说明工作面应力的时间和空间变化趋势和规律，进而探讨工作面的初次来压情况。位移矢量如图3.1所示，垂直应力如图3.2所示，塑性屈服如图3.3所示。(a)工作面推进4m（采空区跨度13m）(b)工作面推进8m（采空区跨度17m）(c)工作面推进14m（采空区跨度23m）(d)工作面推进20m（采空区跨度29m）图3.1工作面推进不同位置时工作面周围局部位移矢量图Fig.3.1Thedisplacementvectordistributionaroundtheworkingfaceofdifferentadvancingposition(a)工作面推进2m（采空区宽度11m）(b)工作面推进10m（采空区宽度19m）(c)工作面推进20m（采空区宽度29m）(d)工作面推进25m（采空区宽度34m）图3.2工作面推进不同位置时的垂直应力分布图Fig.3.2Theverticalstressdistributionaroundtheworkingfaceofdifferentadvancingposition(a)工作面推进2m（开切眼宽度11m）(b)工作面推进8m（开切眼宽度17m）(c)工作面推进16m（开切眼宽度25m）(d)工作面推进20m（开切眼宽度29m）(e)工作面推进25m（开切眼宽度34m）图3.3工作面推进不同位置时的塑性屈服图Fig.3.3Theplasticyielddistributionaroundtheworkingfaceofdifferentadvancingposition4FLAC数值模拟结果图分析工作面开切眼位于9煤采空区边缘外侧16m处，自开切眼处回采逐渐靠近9煤采空区边缘，并最终进入到9煤采空区下方，如图4.1所示。9煤采空区外围的集中应力场和特殊的顶板结构对工作面围岩的变形、破坏和失稳产生了重大影响。这种初采阶段围岩的变形、破坏和失稳特征有别于常规工作面，具有特殊性。图4.11103工作面初采阶段进入9煤采空区下方前的关键位置Fig.4.1Atthebeginningof1103workingfaceofminingstagebeforeentering9coalgoafbelowthekeyposition通过对数值模拟计算结果的分析，对1103工作面初采阶段进入9煤采空区下方的过程中，采场工作面周围的应力场的变化等特征分析和结论如下：（1）通过对位移矢量图的分析，1103工作面在进入9煤采空区下方这个过程中，工作面围岩应力变化和变形破坏经历了3个不同的矿压阶段：第一阶段为初始阶段，即工作面从开切眼开始到推进8m的位置；第二阶段为压力增大阶段，即工作面从推进8m的位置到推进14m的位置，在该阶段其前方的移动支承压力有一个明显增大的过程；第三阶段为压力爆发阶段或压力转移阶段，即工作面从推进14m的位置到进入9煤采空区下方，在该阶段工作面前方移动支承压力减小，顶板位移矢量达到最大与底板重叠，维持一段时间后当采空区跨度达到34m（工作面推进25m）时延伸到底板内。（2）从应力分布图看，应力场的变化特征也与上述的3个阶段相吻合。①在初始的第一阶段，工作面距9煤采空区边缘较远，1103采面前后方支承压力分布基本不受9煤采空区形成的支承压力影响，表现为1103采面前后方支承压力大小和范围分布对称，支承压力范围和数值都逐渐增大，应力集中系数由1.38增大到1.72；②在第二阶段，工作面逐渐接近9煤采空区边缘，1103采面前后方支承压力发生了显著变化，随着工作面前方煤柱尺寸的减小和破坏，压力逐渐向后方转移。前方的移动支承压力区范围和数值均逐渐减小，应力集中系数由1.72降到1.38，而后方的移动支承压力区范围和数值均逐渐增大，应力集中系数由1.72进一步增大到2.07。③在第三阶段，工作面很快越过9煤采空区边缘进入到采空区下方，1103采面前方支承压力和范围进一步减小，压力进一步向后方转移，前方的移动支承压力集中系数维持在1.38左右，而后方的移动支承压力区范围进一步增大，当工作面推进到25m时应力集中系数最大达到3.1。（3）从塑性屈服图也可见三个阶段有明显的区别：①在初始的第一阶段，塑性屈服范围小，主要分布在煤壁和顶板浅层，且不连续；②在第二阶段的开始，即工作面推进到8m的位置，工作面前方煤壁内、顶板中、以及9煤中的剪切屈服已连通，并形成约60