深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究.pdf

工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion 第45卷第10期 2019年10月 Vol .45 No.10 Oct .2019 文章编号1671-251X201910-0043-06DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019040001 深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究 任梦莉蔡峰12 ,梅胜凯 （1.安徽理工大学能源与安全学院％安徽淮南232001 ； 2.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室, 安徽淮南232001） 扫码移动阅读 摘要为研究左、右、上三面均存在老采空区的深部“三面”孤岛工作面回采过程中覆岩变形破坏特征，以 某煤矿120502工作面为研究对象，利用FLAC3D模拟软件对回采过程中覆岩应力、位移和塑性区变形特征 进行了系统的数值研究。结果表明左、右、上三面均存在老采空区的“三面”孤岛工作面在回采过程中主要 受上部老采空区扰动，倾向上左侧煤柱应力集中程度较高，走向上工作面前方的垂直应力先降低后不断升 高，应力集中系数不断增大；垂直位移的方向由向下转变为向上，向下的垂直位移峰值不断增大，但向上的垂 直位移峰值保持稳定；塑性区的破坏范围呈现“马鞍形*逐渐扩大与临近3个老采空区塑性区相互贯通，且 顶板上方岩体处于拉压应力区，采空区围岩裂隙发育更为充分；临近老采空区和卸压煤体内的瓦斯均向开采 层采空区流动，应重点加强该工作面采空区内的瓦斯抽采工作 关键词煤炭开采；“三面”孤岛工作面；采空区；应力分布；覆岩位移；塑性区变形 中图分类号TD311 文献标志码A Resea r chon def or ma t ion cha r a ct er ist icsof min in g ov er bur den r ock on deep “t hr ee-sided“ isl a n d wor k in g f a ce REN Men g l i1, CAI Fen g12 , MEI Shen g k a i1 1. School of En er g y a n d Sa f et y , An hui Un iv er sit y of Scien ce a n d Techn ol og y , Hua in a n 232001, Chin a; 2. Key La bor a t or y of Sa f et y a n d Hig h-ef f icien cy Coa l Min in g of t he Min ist r y of Educa t ion , An hui Un iv er sit y of Scien ce a n d Techn ol og y , Hua in a n 232001, Chin a Abst r a ct In or der t o st udy def or ma t ion a n d f a il ur e cha r a ct er ist ics of min in g ov er bur den r ock on t he deep“,hr ee-sided“isl a n d wor k in g f a ce wi,h ol d g oa f on ,he l ef ,, r ig h,a n d upper sides, ,a k in g 120502 wor k in g f a ce of a coa l min e a s r esea r ch object , t he st r ess of ov er bur den r ock , displ a cemen t a n d def or ma t ion cha r a ct er ist icsin pl a st ic zon e in t he min in g pr ocess wer e sy st ema t icaly a n d n umer icaly st udiedusin g FLAC3Dsimul a t ion sof t wa r e.Ther esul t sshowt ha t in t hest opin g pr ocess,t he“t hr ee-sided“ isl a n dwor k in g f a cewit ht heol dg oa f on t hel ef t ,r ig ht a n dupper sidesisma in l y dist ur bedby t heupper ol d g oa f ,a n dst r esscon cen t r a t ion of l ef t coa l pila r in t hepr on edir ect ion ishig her ,t hev er t ica l st r essin f r on t of wor k in g f a ce on st r ik e dir ect ion decr ea ses f ir st a n d t hen in cr ea ses con t in uousl y ,a n d t he st r ess con cen t r a t ion f a ct or in cr ea sescon t in uousl y .Thedir ect ion of v er t ica l displ a cemen t cha n g esf r omdown wa r d t oupwa r d,a n dt hedown wa r dv er t ica l displ a cemen t pea k in cr ea sescon t in uousl y ,but t heupwa r dv er t ica l displ a cemen t pea k r ema in sst a bl e.Theda ma g er a n g eof pl a st iczon ea ppea r s“sa ddl esha pe“,a n dg r a dualy expa n ds t o be con n ect ed wit h t he pl a st ic zon e of t he a dja cen t t hr ee ol d g oa f s, a n d t he r ock ma ss a bov e t he r oof isin t het en sion -compr ession st r esszon e,a n dt hecr a ck sin t hesur r oun din g r ock of t heg oa f a r emor e 收稿日期收稿日期2019-04-01；修回日期修回日期 2019-09-18；责任编辑责任编辑张强。 基金项目基金项目安徽高校自然科学研究重大项目KJ2017ZD10O 作者简介作者简介任梦莉1994 ,女，安徽淮北人，硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯灾害防治理论及技术,E-ma il1328810161qq. com。 引用格式引用格式任梦莉，蔡峰，梅胜凯.深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究,-工矿自动化2019,451043-48. REN Men g l i,CAI Fen g , MEI Shen g k a i. Resea r ch on def or ma t ion cha r a ct er ist ics of min in g ov er bur den r ock on deep “t hr ee-sided“ isl a n d wor k in g f a ce, In dust r y a n d Min e Aut oma t ion ,2019,4510 43-48. -44 - 工矿自动化 45 f ul l y dev el oped. The g a s n ea r t he ol d g oa f a n d t he pr essur e-r emov in g coa l body f l ows t o t he g oa f in t he min in g l a y er , so t he g a s dr a in a g e wor k in t he g oa f of t he wor k in g f a ce shoul d be empha sized. Key words coa l min in g; “t hr ee-sided“ isl a n d wor k in g f a ce; g oa f ; st r ess dist r ib ut ion; ov er bur den displ a cemen t ;def or ma t ion of pl a st iczon e 4引言 随着煤炭开采深度不断加大，采空区面积日益 增大，煤层地质条件愈加复杂，13 ,为避免生产和接 续工作面之间的干扰、防止煤层自燃和瓦斯灾害，采 区内工作面之间采用跳采连续方式，形成孤岛工作 面［45］ 0该类工作面应力集中，在推进过程中会引起 覆岩断裂、移动，导致覆岩裂隙充分发育并为瓦斯流 动提供直接通道69 ,从而卸压瓦斯在回采期间进入 工作面，严重威胁工作面的安全生产。国内外学者 对孤岛工作面覆岩裂隙演化规律进行了大量研究。 林峰等,10-利用FLAC3D模拟软件对张集煤矿孤岛工 作面应力分布进行了研究，研究结果表明，工作面应 力主要集中在采空区的两侧，且确定了合理的煤柱 宽度。李志华等,11-利用FLAC3D模拟软件和实测数 据对比分析了采空区下、一般孤岛工作面中矿压显 现规律的不同，认为采空区下孤岛工作面相对于实 体煤下孤岛工作面矿压显现不显著。宋艳芳等,12 利用FLAC3D模拟软件得出了上下区段煤柱处于高 应力集中区且煤岩应力集中系数不断增大的结论。 曹建军等,13利用UDEC和FLAC3D模拟软件针对 特殊的“T”型覆岩结构特征，研究了回采中覆岩移 动变形及应力场的分布和动荷载对煤岩体的冲击破 坏规律。郭之标等［14］采用模拟与现场实测结合的 方法对超长孤岛工作面沿空掘巷矿压显现规律进行 了研究，提出了针对性的巷道加强支护技术。 张向阳等,15-应用理论分析、数值模拟与工程实践的 1 Ta bl e 1 Cha r a ct er ist ics of r oof a n d f l oor l it hol og y in No. 5 coa l sea m 5煤层顶底板岩性特征 顶底板名称板平均厚度/m岩性特征 基本顶细砂岩 15.80 深灰色，致密，均一，性脆 直接顶泥岩、粉砂岩 15.00灰色-深灰色，致密，含植化碎片 伪底泥岩 1.55 浅灰色-灰色，成分以石英为主，次为长石及暗色矿物， 局部含泥质包体，泥质胶结 直接底中细砂岩 13.60 灰白色-乳白色，厚层状，细中粒结构，钙质胶结, 层面含暗色矿物，具有平行层理和交错层理 本采区已先后回采120501、120601、120503工 作面，120502工作面为采区第4个回采工作面，为 孤岛开采。120501工作面于2011年11月开始回 采，2012年8月回采结束，位于工作面北侧，留设煤 柱30 m。120601工作面于2013年3月开始回采， 方 采空区 工作 沿空掘 破坏特征进行了研究，提出了全断面围岩控制技术 思路。 工作 研究主 研究掘进 变形规律和矿压显现规律，且研究对象多为左、右两 面为老采空区的一般孤岛工作面，而没有涉及左、 右、上三面均存在老采空区的“三面”孤岛工作面采 场内采空区覆岩变形破坏特征的研究。“三面”孤岛 工作面在回采过程中较易打破煤岩体力学平衡，严 重影响矿井安全生产，故迫切需要对其进行研究。 本文利用FLAC3D数值模拟软件系统研究了左、右、 上三面均存在老采空区的孤岛工作面采动过程中覆 岩应力、位移及塑性区变形特征，得到了该条件下工 作面在回采期间的覆岩变形特征，为同类型的孤岛 工作面实现煤与瓦斯共采奠定了坚实的理论基础。 1工作面概况 120502工作面位于某煤矿一水平东二采区，东 临XL2陷落柱，西接5煤集中上山，南为120503采 空区，北近120501采空区及原120502轨道运输巷， 上方为6煤采空区。120502工作面采用走向长壁 布置，工作面平面积为261 907. 7 m2,平均煤层倾角 为9。，属于近水平煤层，该工作面平均可采斜面积 为268 796. 9 m2。采区内5煤层处于多煤层组成的 煤层群中，工作面中部煤层分叉发育泥岩夹歼，夹歼 厚为0〜0. 81 m,平均煤厚为4. 0 m。5煤层顶底板 岩性特征见表1。 2013年12月回采结束，位于工作面正上方，法距约 18 m。120503工作面于2014年10月开始回采， 2015年8月回采结束，位于工作面南侧，留设煤柱 30 m,形成孤岛开采。各工作面之间的空间位置关 系如图1所示。 2019年第10期任梦莉等深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究・45・ 图1工作面空间位置关系 Fig .1 Posit ion r el a t ion shipof wor k in g f a cespa ce 始平衡状态。 2 根据采场的顺序，分别开挖120501工作 面.120601工作面.120503工作面，构建出“三面”孤 岛工作面。 3 分步回采120502孤岛工作面煤层。 3覆岩变形特征模拟结果分析覆岩变形特征模拟结果分析 3. 1 覆岩应力场的演化特征 工 作 不 断 进 ， 煤 部 力平 破，不 进距离时采空区中部断 煤 向 力分布云图如图2所示。 应力/Pa 2数值模型的建立数值模型的建立 2. 1 数值模型设计 采用FLACg 件对覆岩应力、位移 及 区变形特征进行研究。 120502工作面 质条件和煤 情况， 计算樓 寸为550 mX400 mX 232 m,采区内各工作面宽度 均为130 m,回采长度均为240 m，工作面回采方向 均为模型走向。 周为位移边界条件，上部为 力边界条件。计 采 ，莫 尔- 破坏准则式1,考虑整 质 ，顶部施加9 MPa 力，共划分为 484 000个三维单元，有503 496个节点。根据现场 地质条件和相关试验提供的岩石力学试验结果，主 要煤 具体力学 2。 f s .】 】 一.31 sin 0/ 1 sin 卩2c 1 式中“s为莫尔-库伦破坏准则.1.3分别为最大 主应力和最小主应力；0，分别为摩擦角和黏聚力。 表2主要煤 具体力学参数 Ta b l e2 Specif ic mecha n icpa r a met er of ma in coa l ea m a n d r ock 1 1 5 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 5 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 O 0 O O O O O O O O 0 0 O O O O O 0 O O O O O O O O 0 0 O O O O 6E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 9E 6E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 9E 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 5 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 .6 .5O .50 .6 .5O .50 2 .5 .7 .02 .5 .70 .2 .5 .5 2 .5 .7 .02 .5 .70 .2 .5 .5 5.O 2 5.7 L L L L 2 2 2 2 3. 3. 3. 3. 5.O 2 5.7 L L L L 2 2 2 2 3. 3. 3. 3. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - a推进80 m 5 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 5 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O IE 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 5E IE 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 0E 5E 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 5 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 1 5 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 1 3 5 0 5 0 2 5 7 0 2 5 7 0 2 5 7 0 1 3 5 0 5 0 2 5 7 0 2 5 7 0 2 5 7 0 1 5.o -2. -5. -7.m J -2. -2. -2. -2. -3. -3. -3. -3. -4. -4. 5.o -2. -5. -7.m J -2. -2. -2. -2. -3. -3. -3. -3. -4. -4. b推进 130 m c推进 180 m 岩层 名称 密度/ k g ・ m3 体积模 /GPa 切 量 / GPa 聚力/ MPa 内摩擦 角/ 抗拉强 度/MPa 中砂岩25805. 604. 20 8.00383.50 石英砂28005. 574. 53 11.40386.70 粉砂岩26805. 604. 20 8.00383.50 5煤1410 1.730.82 0. 18 200.20 6-1煤1390 2.000.880.42240.30 细砂岩2800 16.0412.023.47434.96 泥岩25674. 30 2.800.70301.68 应力/Pa 1.089 4E06 -5.000 0E06 -1.000 0E07 -1.500 0E07 -2.000 0E07 -2.500 0E07 -3.000 0E07 -3.500 0E07 -4.000 0E07 -4.500 0E07 -5.000 0E07 -5.500 0E07 -6.000 0E07 -6.493 2E07 120503 120601 120502 120501 d推进 240 m 图2不同推进距离时采空区中部煤岩体垂直应力 分布云图倾向 2.2 模拟步骤 为 准 工 作 回 采 力、位移及 区 特征，模拟步骤 1 定 力和边界条件 初 Fig. 2 Ver t ica l st r ess dist r ibut ion cl oud ma p of coa l a n d r ock ma ss in t he middl e of g oa f un der con dit ion of difer en t pr opul sion dist a n ces pr on edir ect ion 从图2可看出，随着工作 进，采空区上覆 压区 不断向上移动扩大，采空区 ・・46・ ・工矿自动化45 上方岩体受到的拉应力峰值也不断增大，且卸压区 域逐渐融合成一体，最终形成“马鞍形工作面左 侧煤柱应力集中程度逐渐增大，应力集中系数由 2. 93增加至5. 41,而右侧煤柱的应力集中现象相对 较弱，原因在于其处于上部采空区的卸压范围内。 120502 工作 和 120601 工 作 平 方 向 为错层分布，120502、120601工作面重合区段内不 进 距离 向 第 1 力 分布曲 图3所示。。从图3可看出，在走向上应力集中区域 分布在开切眼的后方和工作面前方，在推进距离未 超过 部 采空 区 范 ， ， 受 部 采 空 区 板 压 区域和终采线周围应力集中的影响，在工作面前方 形成应力先降低后升高的现象，而当工作面推进距 离达到240 m时，在工作面前方呈现明显的“横三 区卸压区、应力集中区及原岩应力区分布。。随着 工作面的推进，开切眼后方的应力集中峰值基本不 ， ， 而 工作 前方 支 压力不断增 大， ， 力 集 中 1.19 增 1.85 ， ， 支 压 力 位 置 煤 壁的距离稳定在10 m左右。 。 推进80m T-推进130m -35「 t-推进180 m 亠推进240 m 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0 3 2 2 1 1 3 2 2 1 1 - - - - - - - - - - -80 -40 0 *4* 8*120*160 200 240 280 320 距工作面距离/m 图 3 工作 不 进距离 向 第 1 力 分布曲 重 区 段 Fig .3 Ver t ica l t r edit r ib ut ion cur v eof t hef ir t ov er b ur den l a y er in t het r ik edir ect ion un der con dit ion of difer en t pr opul ion dit a n ceon wor k in g f a cecoin ciden t sect ion 120502. .20601工作面非重合区段内不同推进 距离下走向上覆第1层垂直应力分布曲线如图4所 示。从图4可看出，应力集中区域不变，且应力集中 峰值相当。与图3相比可知，在相同的推进距离下, 不重合区段内工作面前方的支承压力峰值更大，但 推进距离为240 m时，支承压力峰值反而略有降 低，说明在推进距离未超过上部采空区范围时工作 面前方应力集中程度更高。 3.2 覆岩位移场的变形特征 工作面采动引起上覆岩层的移动变形，覆岩变 形导致顶板的水平错动和垂直下沉，从而导致水平 位移和垂直位移。120502 . .20601工作面重合区段 e d w -R i e d w -R i 何 S S 图4工作面不同推进距离时走向上覆第1层 垂直应力分布曲线非重合区段 Fig . 4 Ver t ica l st r ess dist r ibut ion cur v es of t he f ir st ov er b ur den l a y er in t hest r ik edir ect ion un der con dit ion of di fer en t pr opul sion dist a n ces on wor k in g f a ce n on -coin ciden t sect ion 内不同推进距离时走向上覆第1层垂直位移变化曲 线如图5所示。从图5可看出，在工作面推进距离 未超过上部采空区范围时，上覆岩层垂直位移方向 由垂直向下转变为向上，且向下的垂直位移峰值不 断增大，而向上的位移峰值保持稳定，原因是上部采 空区底板底鼓产生的位移造成的影响。 -■推进80 m 推进 130 m 推进180 m 推进240 m 2UV推起 S S 150 距工作面距离/m 320 图 5 工作 不 进距离 向 第 1 垂直位移变化曲线重合区段 Fig .5 Ver t ica l displ a cemen t cha n g ecur v esof t hef ir st ov er b ur den l a y er in t hest r ik edir ect ion un der con dit ion of di fer en t pr opul sion dist a n ces on wor k in g f a ce coin ciden t sect ion 120502. .20601工作面非重合区段内不同推进 距离 向 第 1 位 移 曲 图 6 所 示。从图6可看出，垂直位移的峰值随着推进距离 的增大而增大，且在推进全过程中采空区上覆岩层 垂直位移均向下。 。 120502. .20601工作面中部位置不同推进距离 时走向上覆第1层水平位移变化曲线如图7所示。 由图7可知，在采动过程中，采空区卸压区域内覆岩 的水平位移也随着开采距离的增大而增大，覆岩受 到水平拉伸和挤压的综合作用，裂隙发育更为充分 2019年第10期任梦莉等深部“三面”孤岛工作面采动覆岩变形特征研究・47・ 滋起何 flfl 240 40 80 120 160 200 240 280 320 距工作面距离/m 图 6 工作 进不 距离 向 第 1 垂直位移变化曲线非重合区段 Fig .6 Ver t ica l dipl a cemen t cha n g ecur v eof t hef ir t ov er b ur den l a y er in t het r ik edir ect ion un der con dit ion of di fer en t pr opul ion dit a n ceon wor k in g f a ce n on -coin ciden t sect ion ■推进80 m ♦推进130 m 推进180 m 推进240 m -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280 320 距工作面距离/m 图7工作面不同推进距离时走向上覆第1层 水平位移变化曲线中部位置 Fig .7 Hor izon t a l dipl a cemen t cha n g ecur v eof t hef ir t ov er b ur den l a y er in t r ik edir ect ion un der con dit ion of di fer en t pr opul ion dit a n ceon wor k in g f a ce cen t r a l l oca t ion 3. 3 覆岩塑性区的变形特征 对120502工作面回采过程中煤岩体塑性区的 发育状况和演 进行 ，彳 图8所 区 趋势。从图8可看出，塑性区的变 总体呈现* 随着工作 进，上覆岩层 区呈非匀速扩 势，不断向上动态发展，与其 他老采空区 区逐渐相互 ，推进距离 g 240 m时，塑性区发育高度约为70 m。顶板岩层塑 性区发育范 ，两侧煤 区发 度较大, 原因为上部工作面开采后底板应力得到了释放，而 两侧煤柱处于应力集中区域。采空区顶板上方岩体 处于拉压应力区，弓 分发育，且塑 性区 扩 煤 发育，原有采空 区及卸压煤体区 均会向开采层采空区流 动，应重点加强该工作面采空区 采工作。 Non e shea r -n shea r -p shea r -n shea r -p t en sion -p shea r -p shea r -p t en sion -p t en sion -n shea r -p t en sion -p t en sion -n shea r -p t en sion -p a推进80 m Non e shea r -n shea r -p shea r -n shea r -p t en sion -p shea r -p shea r -p t en sion -p t en sion -n shea r -p t en sion -p t en sion -n shea r -p t en sion -p Non e shea r -n shea r -p shea r -n shea r -p t en sion -p shea r -p shea r -p t en sion -p t en sion -n shea r -p t en sion -p t en sion -n shea r -p t en sion -p b推进 130 m c推进 180 m d推进 240 m 图 8 工作 不 进距离 向 区 趋势 Fig . 8 Tr en d of pl a st ic zon e def or ma t ion in pr on e dir ect ion un der con dit ion of dif f er en t pr opul sion dist a n ces on wor k in g f a ce 4结论结论 1 利用数值模拟研究方法研究了左、右、上三 面均存在老采空区的“三面”孤岛工作 力、位 移、塑性区 特征,研究结果表明 类 工作 回采过程中应力、位移及 区 特征与一 工作 特征均 明显差异，弓 特 征 为 。 2 “三面”孤岛工作面回采过程中受上部老采 空区扰动较大，工作面前方应力先降低 一水平 后不断 ，应力集中 不断增大，弓 位移 方向 向下转变为向上，但向 位移 保 持不变。 3 塑性区呈“马鞍形以非匀速扩展态势向 上动态发展，弓 老采空区 区逐渐相互 两 煤 区 发 ， 板 区 发 低 ， 顶板上方 于拉压应力区，采空区 分发 ， 原 采空 区 和 压 煤 均向 开采 采空 区 动 ， 重 点 强 该 工 作 采 空 区 采 工作 。 参考文献References [1 -毛晓东，吴冬梅，崔居青，等.基于3DEC的断层孤岛 -48 - 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