基于FLAC3D的大采高综放工作面推进矿压显现规律数值模拟

采矿工程数值分析与应用

题目：基于FLAC3D的大采高综放工作面推进矿压显现规律数值模拟

1 关键问题

根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1302N工作面开采面临潜在的冲击地压、帽裂等动力灾害威胁。因此，本文提出应用FLAC3D研究工作面推进过程中矿山压力显现规律。根据该规律，减少冲击地压等的动力灾害的发生，保证工作人员的生命安全，增大生产效率，提高产量。

2 工程背景

2.1矿井基本概况

山东新巨龙能源有限责任公司位于山东省菏泽市巨野县新巨龙镇，在巨野煤田中南部，东距巨野县城约20公里，西距菏泽市40公里，兖新铁路和327国道在井田上穿过，北临日东高速公路，东依京福高速公路、京沪铁路、京杭大运河，西靠京九铁路、济广高速、德商高速，交通便利。公司占地面积 522808 平方米，矿井井田东起田桥断层，西至煤采地层底界露头，南起邢庄及刘庄断层，北至陈庙断层及第一勘探线，地理坐标为北纬35°05′～35°30′，东经115°47′～116°18′，南北长约12公里，东西宽约15公里，面积约180平方公里。交通位置详见图2-1，其中A为新巨龙能源公司所在位置。矿井地质储量16.83亿吨，可采储量5.1亿吨，设计生产能力600万吨/年，设计服务年限82年。

图2-1 交通位置图

巨野属黄淮流域，北临黄河，境内水系健全，水资源丰富。既有充足的地表水、地下水，又可常年引流黄河水，全县水资源总量3.76亿m3，可利用地表水1.3亿m3，可利用地下水2.47亿m3，人均水资源储量413.1m3。即将动工兴建的大野水库，库容达2.5万m3，可为工农业发展和城镇居民生活提供用水保障。巨野属暖温带大陆气候，四季分明，气候温和，雨水充沛。年均气温13.5°C；年均降水量655mm；无霜期平均213天；年日照时数2329.2-2578.3小时。

2.2矿井地质条件

2.2.1地层与主采煤层特点

（1）煤层发育情况

地层区划属华北地层区鲁西地层分区，区内多为第四系覆盖。3煤层平均厚度为8.82m，煤层直接顶为厚度为2.35m的粉砂岩，其单向抗压强度为32.13 MPa，基本顶为厚度为12.42m的粉砂岩互层，其单向抗压强度为100.17 MPa，由于煤层厚度较大，采空区冒落高度相对较高，煤层顶板又较为坚硬，因此可能存在顶板大面积悬顶。随着工作面的继续推进顶板集聚足够的弹性能，突然断裂对工作面支架、煤壁造成冲击诱发采场、巷道冲击地压发生。因此，3煤层顶板是否形成大面积悬顶是工作面顶板明显动压发生的必要条件。根据1301N工作面、已施工的1302N上下平巷揭露资料，工作面第一联络巷以南部西部区域3煤厚度在2.8-3.3m，东部靠近1301N工作面上平巷附近厚4.3-8.0m；第一联络巷以北西部区域3煤厚9.7-10.9m，1301N工作面上头揭露3煤厚8.0-9.5m；煤层中间夹0-1.2m泥岩或炭质泥岩。3煤层属较稳定，结构复杂。

（2）煤层类型及煤质

3层煤可采指数为1，为较稳定煤层，煤层倾角0～6°，平均3°；煤种在二联巷处分界，煤质牌号为肥煤；宏观煤岩类型为半暗-半亮型煤，低灰低硫易洗选，发热量30.13MJ/kg，硫份0.55%，灰分12.95%。

（3）煤层顶底板

煤层顶底板条件主要见表2-1：

表2-1 煤层顶底板情况表（根据东部L-8钻孔）

2.2.2地质条件综合评价

（1）采场矿压显现剧烈

主采煤层上覆薄基岩厚度平均不到200 m，但基岩上部有约650 m的巨厚冲积层（如图4-1所示），加之采用大采高综放开采，采场矿压显现剧烈。矿井井巷工程埋深较深，上覆巨厚冲积层薄基岩，顶板岩石多为泥质砂岩，遇水即涨，性脆，易破碎，支护困难；煤层较厚，工作面上下平巷沿煤层底板掘进，巷道支护困难。加之采用大采高综放开采，采场矿压显现剧烈。

（2）水压高

龙固煤矿直接充水含水层是主采煤层（3煤）的顶底板砂岩（“三砂”）和底板的太原组“三灰”，水压都高达8 MPa。在大采高综放开采条件下，3煤顶板砂岩含水层将以淋水的形式进入矿井；由于采煤过程中产生的底板次生裂隙，3煤底板砂岩含水层将以涌水的形式进入矿井，共同构成矿井涌水量的一部分。

（3）地温高

矿井第一水平为-810 m，由于深部开采，采区内原始岩温高达46℃，出水温度最高达50℃，采掘工作面空气温度更是超过35℃，湿度达到100%。另外，除了超高地温（出水点温度50℃）、本矿井还存在超大涌水（1700 m3/h），根据现场实测，-810 水平水温达48℃～51℃，-709水平水温达46℃。且同水平水温比岩温高4～6.3℃，水的放热量传递给风流的速度快，水温高是龙固矿井高温热害的重要特点。

（4）易自然发火

龙固煤矿主采煤层为3（3上、3下）煤层，煤尘爆炸指数为35.32～40.43%，3层煤自燃倾向性等级为Ⅱ类，自然发火期46天。但由于龙固矿井井下岩层温

度（平均38℃）较高，使煤的自然发火期缩短到41天。

（5）工作面有动力现象

1301工作面上、下平巷掘进过程中曾多次发生煤炮，工作面回采过程中，曾于2010年2月3日发生采场支架压死现象。根据煤层、顶板冲击倾向性鉴定结果和曾发生的动力现象，并考虑到1301工作面复杂的开采条件(深部、特厚煤层、高地压、强承压水、高温、厚表土层、构造发育等)，认为1301工作面回采过程中面临潜在的冲击地压等动力灾害威胁。

2.3采煤方法

采用大采高一次采全厚开采，割煤高度3.5-4.0m。工作面推进长度1500m，倾斜长度220m。

回采巷道沿煤层底板掘进，巷道尺寸4500×4200mm。

附图1：1302N工作面柱状图

（根据L-8钻孔）Array

图2.2 煤岩层综合柱状图