急倾斜煤层上行开采对上煤层的影响分析.pdf

30/矿业装备 MINING EQUIPMENT工 艺1 研究项目概况某煤矿采区内存在 2 个急倾斜煤层（7 号和 9 号煤层），均为物理力学性质较稳定的煤层，煤层倾角均在47 55，平均倾角为 50。企业在开采计划开始前，组织勘查人员对上述两个煤层的实际情况进行勘查，结果显示，两个煤层厚度均较低，最大厚度不超 1m，整体多位于 0.50.7m，煤层中夹杂大量煤矸石，给开采工作带来一定难度，常规开采模式可能难以实现对其进行有效开采作业。煤矿企业技术部门综合分析后，决定采用伪倾斜走向长壁水平分段密集采煤法进行开采，并应用垮落法进行顶板管理。为探究开采过程中可能产生的不良影响，企业技术部门研究后决定预先对急倾斜煤层上行开采如何影响上煤层进行重点分析。2 急倾斜煤层上行开采对上煤层的影响模拟分析2.1 模型建立为实现较为准确的分析，本次采用岩土工程领域常用的 FLAC3D 数值模拟软件进行模拟分析。根据前期勘查环节获取工作面数据，直接调用软件中的仿真模型框架，设置模拟分析环节中的边界，以此确定本次的仿真模型。具体来看，煤层/岩层倾角为 55，煤层厚度0.450.98m，工作面长度 90m，采高 1.5m。工作面围岩按照实际厚度进行模拟，建立长宽高分别为 300m、210m和 210m 的模型。2.2 边界条件的确定和参数的计算根据本次数值计算模型所模拟的地质条件，确定以下三个模型的边界条件，以对模型进行必要的限制：本次建立的模型为立方体，设定该模型边界部位不存在任何水平或垂直方向的速度和位移量。设定左右边界在水平和垂直方向上，速度矢量和位移矢量均为零。该数值模型的上边界为自由边界，针对上边界施加分布载荷。在此基础上，进一步确定模型的应力边界条件：模型上边界平均埋深确定为 600m，上覆岩层自身重量等同视为计算模型上边界载荷。模型上边界施加的载荷为均匀分布，载荷为 12.5MPa，侧压系数则取 0.33。在确定以上边界条件后，研究人员进一步进行岩层物理力学参数的计算。在参数计算环节中，首先对已确定边界条件的模型施加初始地应力。从理论角度分析，该初始地应力值由实际测试环节所取得1。但在本次研究中，目标矿区的初始地应力值因时间进度和成本等因素无法进行现场测试。考虑到以上限制条件，在本次研究应用 FLAC3D 软件，将模型计算至初始平衡状态以模拟地应力场，使用初始平衡自重应力对初始地应力值进行等效代换，以此计算目标矿区的岩层物理力学参数。同时，应用摩尔-库伦准则对岩体破坏情况进行分析，计算得出最终的拉应力，当 0 时可认为岩体因剪切而发生了破坏。2.3 模拟结果分析2.3.1 煤层倾斜方向顶板采动特征分析随着煤层开采工作的不断推进，煤层顶板岩层出现变形和受到破坏的程度也将进一步加剧。但由于急倾斜煤层存在的特殊性，因此这种变化规律也是非线性的。针对这一特殊情况，从竖直应力分布和顶板竖直位移两方面的指标着手进行探究。结合实际情况，本环节重点研究推进距离为 20m、50m、100m、150m、200m 时煤层沿倾斜方向的应力和位移分布情况。第一，对推进距离为 20m、50m、100m、150m、200m的煤层顶板位移分布情况进行模拟仿真分析，分析结果可知：随着采煤工作面的推进，采空区上覆岩层的竖直位移也将随之增大，其位移分别为 0.042m、0.297m、急倾斜煤层上行开采对上煤层的影响分析朱民（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西忻州 036700）摘要：结合勘查资料，应用 FLAC3D 软件对急倾斜煤层上行开采条件下如何影响上煤层进行了模拟仿真分析，确定了基本影响范围，并初步分析了急倾斜煤层上行开采的可行性。分析结果显示，本次急倾斜煤层上行开采具有较高可行性，可进一步推进后续的相关工作。关键词：急倾斜煤层；上行开采；影响分析2023.8 矿业装备/310.321m、0.405m、0.440m。当推进距离达到 100m 时，采空区上覆岩层竖直方向的位移有着相对更高的增长幅度，而后位移量变化则不再显著。另外，采空区下部的位移相对较小，采动影响上覆岩层最大范围位置位于沿煤层倾向的采空区顶板中上部，距离采空区下部煤壁三分之二处。从垂直影响高度来看，在以上五个推进距离下，其数值分别为 5.46m、18m、27.78m、32.79m、57m。第二，对顶板应力情况进行分析，推进距离同上。经过分析计算后可知，随着推进距离的增加，采空区的应力值和应力集中程度均有明显增长，整体情况如图 1所示。分析可知，在开采工作逐步推进后，采空区上方存在明显的应力释放区域，但该区域内的具体应力大小则分布不均，顶板上方和底板下方的应力释放情况更为突出，由此导致采空区中上部的应力值明显高于中下部的应力值，随之带来应力集中系数的增加，对该区域的稳定性影响也逐渐加剧。同时，在开采工作不断向前推进后，采空区上方的应力释放区域最高点出现变化，其高度与推进距离呈正相关，但在推进距离超过 100m 后变化幅度则大为降低，变化不再显著。2.3.2 煤层走向方向顶板采动特征针对沿着走向在倾斜方向不同位置处的竖直应力分布状态和顶板位移情况的变化规律，确定急倾斜煤层开采后，顶板的变形破坏规律，为后续的急倾斜煤层开采提供理论基础。参考上一节的研究方法进行模拟分析，分析结果可知：随着推进距离的增加，采空区顶板变化位移均呈现上升态势，但主要是在前期存在明显的上升，而在推进距离大于 100m 时，位移变化程度则明显减弱。相对而言，中上部的位移量更大，这主要是由于中上部煤矸石充填率较低所引起的。在此基础上，研究人员对应力分布进行模拟分析，分析结果显示，急倾斜煤层开采后，采空区中上部的应力释放最为明显，也就对应着最为严重的失稳情况。而在采空区下部受到的影响则相对较小。在此基础上，以煤层走向为主轴线做进一步分析，分析结果显示，在该轴线上的应力大小主要取决于倾向位置方面的差异。但整体来看，上述应力值的差异与变化主要体现在推进距离 0100m 范围内。当推进距离超过 100m 后，由于大部分煤炭资源近乎采空，影响应力变化的要素已经近乎不存在，剩余应力难以进一步提高位移量。因此在推进距离较高时，顶板的位移量趋于稳定。3 分析结果与讨论结合上述分析结果，在已有的基础上，进一步探究下方煤层开采后如何影响上方煤层，以及影响的范围。此步骤仍沿用 FLAC3D 软件进行模拟分析，模拟开采推进距离 200m 后的情况，其分析结果如图 2 所示。图 2 中线段围成的梯形为上覆岩层受采动影响而发生移动变形的范围。在该区域内，未开采的 7 号煤层将下沉 0.31m 左右，而该范围外则基本不受影响。采用比值判定法对本次开采的可行性进行分析，对相关系数进行计算，得出k值为 6.4，超出 6.3 的临界值。因此，可在增强支护的条件下进行正常的上行开采。4 结束语在本次研究中，结合某地急倾斜煤矿的实际情况，应用 FLAC3D 软件，并整合前期勘查资料，对该急倾斜煤矿上行开采过程中如何影响上煤层的情况进行了较为全面的模拟分析，并根据分析结果，判断了上行开采的可行性。整体来看，这种分析方法具有较高的准确性，具有一定的应用价值。当然，具体结果仍需要通过后续实践加以检验。参考文献1 张莉.基于急倾斜煤层开采的液压支架受力计算及仿真研究 J.煤炭技术,2022,41(2):200-202.图1 顶板应力变化情况图2 下方煤层开采后的影响范围示意图推进距离/m应力/MPa应力集中系数应力集中系数应力