基于FLAC3D的赵固二矿孤岛工作面顶板注浆数值模拟.pdf

第 卷 第 期 年 月 黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 .基于 的赵固二矿孤岛工作面顶板注浆数值模拟孙建华 赵鲁金 张鹏飞 魏春荣 王 超(黑龙江科技大学 安全工程学院 哈尔滨)摘 要:为探究注浆技术对工作面开采的影响效果以赵固二矿 孤岛工作面开采条件为研究对象采用 软件模拟孤岛工作面在推进、时注浆前后的顶板应力、位移、塑性区变化分析工作面顶板在注浆前后应力集中、位移、塑性区的变化情况 结果表明在注浆前后顶板应力集中值均约为 没有较大变化顶板垂直位移与塑形区通过注浆最大位移减小约 最大破坏深度减小约 结合煤矿实际注浆效果比较分析注浆技术能够有效加固顶板提高工作面开采的安全性关键词:工作面开采 岩层运动 工业注浆:./.中图分类号:文章编号:()文献标志码:.():.:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()第一作者简介:孙建华()男山东省日照人教授博士研究方向:采矿工程、安全工程:.引 言现阶段工作面开采过程中跳越开采被大多数煤矿所采用 但是这种开采方式会形成两侧被采空的孤岛工作面 在孤岛工作面回采会出现矿压显现剧烈、巷道围变形大等情况难以实现矿井的安全高效开采 为了解决孤岛工作面的开采困难问题国内外学者通过大量研究得出了许多成果河南能源焦煤集团赵固二矿 (.)设计生产能力为 万/服务年限为.矿井采用立井单水平盘区开拓煤层直接顶板以砂质泥岩为主 工作面内顶板压力明显煤壁片帮以及工作面内顶板小范围冒顶事故频繁两巷压力显现更加明显上下两巷安全口变形严重直接影响工作面回采、行人通道以及工作面供风量这给工作面正常生产、两巷维护带来了相当大的困难 有许多学者对工作面岩层运动进行了大量研究苏晓建以 工作面为背景采用模拟方法研究了大采高工作面推进过程中顶板运移特征 廖鹏研究了孤岛工作面沿空掘巷的巷道围岩变形规律和煤柱内的应力分布规律 弓昊使用 软件的渗流模式进行二次开发分析工作面推进过程中覆岩及采空区渗透率的演化规律发现覆岩塑性区的高度以及损伤程度随着工作面推进距离的增大而增大 针对这些开采问题有许多学者提出了包括注浆在内的多种提高安全性的方法 刘海东等针对顶板破碎围岩巷道成型难、顶板镂空等问题提出采用“锚护喷注”一体化支护技术 武宗刚认为采用“锚网索 钢筋梯 槽钢梁 喷、注浆”联合支护技术能有效控制巷道的大变形 王锴等提出通过应用自动化注浆系统能够提高生产效率 但是关于在注浆之后顶板的运动规律以及塑性区、顶板垂直位移等参数在注浆前后的变化情况相关研究较少 笔者采用理论分析与数值模拟相结合的方法对 孤岛工作面顶板进行研究利用 数值模拟软件建立模型在工作面分别推进到、时模拟该孤岛工作面顶板应力、位移、塑性区在注浆前后的变化情况 孤岛工作面数值模型.模型尺寸为了能够在模型中较为精确的表现出孤岛工作面上覆岩层应力、位移在注浆前后变化情况特将 孤岛工作面的实际走向长度为平均 实际倾斜宽 釆高 为了在计算误差允许范围内尽量减少模型的网格数量在模型建立过程中按照孤岛工作面实际长度按比例选取 作为模型长度工作面倾斜宽按比例确定为 结合工作面实际注浆方案分析分别对工作面推进到、时进行注浆模拟 为了消除边界效应在模型边界各留设至少 的保护煤柱 最终确定模型长度为 宽 高为 模型的几何概况如图、所示 图中不同颜色代表不同的岩层图 初始模型.图 初始应力平衡.边界条件模型计算时前后固定 方向位移左右固定 方向位移底部为全约束 模型顶部施加垂直荷载其值根据模型之上的岩层厚度计算得出 计算模盤的力学边界条件如图 所示图 边界条件.第 期孙建华等:基于 的赵固二矿孤岛工作面顶板注浆数值模拟.力学参数对于岩石而言当其外部所施加的载荷超过岩石本身的强度极限后岩石将发生破坏之后岩石的应力应变曲线将迅速下滑破坏之后的岩石所具有的残余强度随着变形的继续发展也是迅速减小的所以对于大变形的岩石应该采用摩尔 库伦()屈服准则 判断岩石是否发生破坏公式为 ()式中:最大主应力 最小主应力 黏聚力 摩擦角当 时围岩所受的应力超出了其承载能力此时的岩石就会发生破坏 模型中采用的岩层力学参数包括弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度各参数的具体数值如表 所示表 岩层力学参数 岩性/()/灰岩.砂质泥岩.煤层.下粉砂岩.泥岩.细粒砂岩.上粉砂岩.工作面推进不同距离顶板注浆效果.工作面推进 大采高孤岛工作面推进 时其前方煤壁垂直应力分布如图 所示 由图 可知 工作面推进 时工作面顶板采动应力向煤壁前方传递在前方煤层区域形成了应力集中区值约为 高于原岩应力水平同时可知工作面两侧形成了两个椭圆形的应力集中区其中最大应力集中值为 由图 可知 工作面推进 进行注浆后工作面顶板采动应力向前集中依然明显应力集中值仍为 两侧应力集中区最大应力集中值也还在 由此可见孤岛工作面顶板应力集中相对剧烈工作面注浆后对其产生的作用甚微 大采高孤岛工作面推进 时其顶板垂直位移分布如图 所示图 工作面推进 前方煤壁垂直应力分布.图 工作面推进 垂直位移分布.黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷 由图 可知 工作面推进 时工作面的顶板运动后发生了相应的垂直位移顶板剧烈运动后导致由下而上垂直位移的变化越来越大最大的垂直位移值达到了.只有有效地控制顶板运动才能创造有利的工作条件 由图 可知 工作面推进 时对煤体顶板进行注浆 顶板垂直位移在注浆前后发生了显著的变化由注浆前的最大位移变化值.改变为注浆后的.由此可见经过注浆后顶板位移得到了有效控制 大采高孤岛工作面推进 时其塑性区如图 所示图 工作面推进 塑性区.由图 可知工作面推进 后形成了不规则冒落带、规则垮落带、裂隙带 工作面覆岩塑性区分布为上大下小型注浆前的最大破坏深度为 注浆后的最大破坏深度为 由此可知工作面注浆后对顶板塑性区的影响很显著进而可知注浆对顶板变形起到了较好的改善效果.工作面推进 大采高孤岛工作面推进 时其前方煤壁垂直应力分布如图 所示由图 可知 工作面推进 时工作面前方应力集中区应力集中值约为 高于原岩应力水平两侧椭圆形的应力集中区最大应力集中值为 由图 可知 工作面推进 进行注浆后工作面顶板采动应力向前集中情况依然明显应力集中值没有明显变化可知注浆加固后的顶板其应力集中情况并没有效改变 大采高孤岛工作面推进 时其顶板垂直位移分布如图 所示图 工作面推进 前方煤壁垂直应力分布.图 工作面推进 垂直位移分布.第 期孙建华等:基于 的赵固二矿孤岛工作面顶板注浆数值模拟 由图 可知 工作面推进 时工作面顶板运动后发生了相应的垂直位移剧烈的运动导致顶板由下而上垂直位移的变化越来越大最大的垂直位移值达到了.对煤体顶板进行注浆之后工作面顶板运动发生的垂直位移在注浆前后发生了显著的变化由没有注浆前的最大位移变化值.改变为注浆后的.经过注浆后顶板垂直位移得到了有效控制 大采高孤岛工作面推进 时其塑性区如图 所示图 工作面推进 塑性区.由图 可知工作面推进 后形成了不规则冒落带、规则垮落带、裂隙带 工作面上覆岩层塑性区分布为上大下小型注浆前的最大破坏深度为 注浆后的最大破坏深度为 由此可知工作面注浆后对顶板塑性区的影响很显著进而可知注浆对顶板变形起到了较好的效果.工作面推进 大采高孤岛工作面推进 时其前方煤壁垂直应力分布如图 所示 由图 可知 工作面推进 时工作面前方形成的应力集中区应力集中值约为 高于原岩应力水平两侧椭圆形应力集中区最大应力集中值为.由图 可知 工作面推进 进行注浆后工作面顶板采动应力向前集中情况依然明显应力集中值仍约为 两侧应力集中区域中最大应力集中值约在.情况没有有效改变 大采高孤岛工作面推进 时其顶板垂直位移分布如图 所示图 工作面推进 前方煤壁垂直应力分布.图 工作面推进 垂直位移分布.黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷 由图 可知 工作面推进 时工作面顶板运动后发生了相应的垂直位移工作面推进导致顶板剧烈运动上覆岩层由下而上垂直位移的变化越来越大最大的垂直位移值达到了.对煤体顶板进行注浆之后效果如图 所示分析得知工作面顶板运动发生的垂直位移在注浆前后发生了显著的变化由没有注浆前的最大位移变化值.改变为.可知经过注浆后顶板位移得到了有效控制给工作面的推进工作创造了有利条件 大采高孤岛工作面推进 时其塑性区如图 所示图 工作面推进 塑性区.由图 可知工作面推进 后形成了不规则冒落带、规则垮落带、裂隙带 工作面上覆岩层塑性区分布为上大下小型注浆前的最大破坏深度为 注浆后的最大破坏深度为 由此可知工作面注浆对顶板塑性区的影响很显著对阻止顶板变形起到了较好的效果 工作面实际注浆效果 工作面上顺槽走向长度 下顺槽走向长度 工作面切眼长度 工作面顶板老顶为粉砂岩厚度为.岩性特征为深灰色 化学浆料以桶装形式由地面由运输设施运至 工作面下顺槽移动变电站前段按照 工作面 长度分别以 的距离布置注浆泵且位置与浆液输送胶管的 个接口相对应、两种浆液分别通过输送泵、输送胶管由输送泵压力压到 工作面内 注浆孔距顶板.处开孔孔口垂直煤壁仰角 钻孔深度 深入顶板 .采用风锚头每两架打一个孔孔径 封孔器封孔 带压注浆施工队根据工作面实际情况明确了工作面冒顶的产生机理工作面冒顶的根源在于煤壁片帮、工作面冒顶破裂重在防片帮顶板破碎 对工作面煤壁中上部采取超前加固注浆孔距顶板.开孔对于煤壁破碎比较严重段每两架间施工钻孔一个 对于顶板的破碎程度的差异在注浆压力、注浆量、注浆时间以及注浆位置等方面都采取不同的注浆方案 方案主要对工作面前方煤壁进行注浆加固且孔眼布置在煤壁中上部因注浆料大致有 左右的扩散半径对工作面顶板也起到了很好的黏结作用 经过现场试验日产大大提高煤壁片帮及顶板掉矸基本得到控制 工作面实际注浆效果明显验证了数值模拟结果的合理性和科学性 结 论在 工作面推进、的情况下分别模拟了该工作面顶板应力、位移、塑性区在注浆前后的变化情况结合工作面实际注浆效果分析得出以下研究结果:()在推进、时煤岩体的注浆效果对顶板应力的集中情况影响不大进而反映出孤岛工作面顶板应力集中程度比较大仅靠注浆方式得不到较好的效果应该结合其它有效的主动性或被动性的支护方式()煤岩体注浆后对上覆岩层的位移能够起到很好的控制作用工作面的塑性区与注浆前塑性区有着显著的变化上部破坏区明显降低开采条件随之明显好转 通过数值模拟和分析实际注浆效果可知对煤岩体进行注浆能够提高煤矿生产的安全性为煤矿安全开采提供有利条件参考文献:郭忠华.孤岛工作面巷道钻孔卸压机理及关键参数确定.太原理工大学学报 ():.王贤来 崔继强 张鹏强 等.金川二矿区深部巷道支护稳定第 期孙建华等:基于 的赵固二矿孤岛工作面顶板注浆数值模拟性数值模拟研究.采矿技术 ():.冯兴隆 苗元丰 李争荣 等.拉底过断层区喷锚支护巷道稳定性研究.采矿技术 ():.苏晓建.赵固二矿大采高综采工作面矿压显现规律研究.煤炭技术 ():.廖 鹏.东庞矿孤岛工作面沿空掘巷围岩控制技术研究.徐州:中国矿业大学.弓 昊 李 铮 胡皓宇.基于赵固二矿煤岩损伤程度范围确定及渗透率演化规律研究.采矿与岩层控制工程学报():.刘海东 刘向忠 刘伟冬.顶板破碎围岩巷道“锚护喷注”一体化支护技术研究.煤炭工程 ():.武宗刚.赵固二矿孤岛工作面区段平巷围岩变形规律研究.现代矿业 ():.王 锴 王 旭 徐志远 等.全自动化注浆系统在赵固二矿的应用.煤炭与化工 ():.钱鸣高.年来采场围岩控制理论与实践的回顾.中国矿业大学学报():.陈本华 张士斌 郑有雷 等.孤岛综放面覆岩空间结构运动与矿压显现特征探讨.中国煤炭 ():.沈传波.新义煤矿覆岩离层注浆充填开采技术研究.煤炭与化工 ():.严书政 赵钰琦.孤岛工作面巷道合理布置及防冲设计.煤 ():.李佃平 窦林名 牟宗龙 等.孤岛型边角煤柱工作面反弧形覆岩结构诱冲机理及其控制.煤炭学报 ():韩 浩 赵建兵 耿恩德 等.孤岛工作面掘进期间冲击危险性分析及防治.陕西煤炭 ():.丁 斌 邢士军 李凤河 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