华丰矿保护层开采数值模拟研究.pdf

第 8卷 第 4期 总 第 5 7期 2 0 0 3年 1 2月 煤 矿 开 采 Co a l Mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 8 N o ． 4 S e ri e s N o ． 5 7 De c e mb e r 2 0 0 3 华 丰矿 保护层 开 采数 值模 拟研 究 王永 秀。 ， 齐庆新 ，徐刚 ，徐 方军 ，张修锋 1 ．大地科 技 股份 有限 公 司 开 采所 事业 部 ，北 京 1 0 0 0 1 3；2 ．新 汶矿业 集 团 华丰 煤矿 。山东 尜安 2 7 1 4 1 3 [ 摘要】 华丰矿 4号煤层冲击矿压灾害严重，随着采深 的不断增大，这一 问题更加突 出。开 采 6号煤层保护层，将使 4号煤层得到卸压 ，有利于减 少冲击矿压发 生几率。应用 F L A C软件建立 了 相关数值模型，模 拟分析 了6号煤层开采的卸压 效果；针对华丰矿地质条件 ，重点模拟分析 了断层对 6号煤层 留设煤柱产生的应力集中影响，为华丰矿开采 6号煤层提供 了科学可靠的理论指导。 [ 关键词 】 F L A C软件 ；冲击矿压 ；保护层断层；煤柱 [ 中图分类号】O 2 4 2 ． 1 [ 文献标识码】A [ 文章编号】1 0 0 6 - 6 2 2 5 2 0 0 3 0 4 4 0 0 4 4 4 Nu me r i c a l S t u d y o n Th e Pr o t e c t i v e M i n i n g i n S e a m No ． 6 o f Hu a f e n g Ci a l M i n e WAN G Y o n g x i u ，Q I Qi n g x i n ，X U G a n g ，X U F a n g - j u n ，Z HAN G X i u - f e n g 1 ． B e i j i n g Mi n i n g D e p a r t m e n t o f T i a n d i S c i e n c e T e c l mo l o g y C o ． L t d ．，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． H u de n g Co a l Mi n e o f Xi n w e n C o a l Mi n i n g Gr o u p，T a i ’ a n 2 71 41 3。C h i n a Ab s t r a c t Th e t h r e a t e n o f r o c k b u r s t i n s e a m No ． 4 o f Hu a - f e n g c o a l mi n e b e c o me s mo re a n d mo re s e r i o u s wi t } l t h e i n c rea s i n g o f mi n - i n g d e p t h ． Th e mi n i n g o f s e a m No ． 6 h e l p s t o d e c r e a s e i t s p r o b a b i l i t y o f r o c k b u rsL Th e p a p e r s t u d i e s t h e rel i v i n g e ffe c t c a u s e d b y t h e mi n i n g o f s e a m No ． 6 b y me a n s o f F LAC n u me ric a l s i mu l a t i o n wi t h t h e e mp h a s i z e d an a l y s i s o n t h e i n flu e n c e o f c o a l p i l l a r s u n d e r t h e c o n d i t i o n o f f a u l t s ，wh i c h p r o v i d e s a t h e o ret i c a l b a s e f o r t h e s c i e n t i fi c mi n i n g o f s e a m No ． 6 ． Ke y W o r d sF L AC， Ro c k b u rst ， Pr o t e c t i v e mi n i n g， F a u l t ， C o a l p i l l a r 华 丰煤 矿井 田可采煤层共 7层 。分前后组 ，前 组煤有 1号煤 、4号煤 和 6号煤 共 3层 ，其 中 4号 煤层为 主采 煤 层 ，平 均厚 度 为 6 ． 5 m，6号 煤层 厚 度为 1 ． 1 m。4号煤层 ，属 于强 冲击型煤层 ，开采 4 号煤层 容易 导致 冲击矿压 的发生 。现 在 4号煤层采 深 已达 1 0 0 0 m，煤层垂 直应力达 到 2 53 0 MP a ，水 平构造应力 在 4 55 5 MP a之 间 ，煤 层 原 岩 应 力属 高应力 ，因此 ，有效 防治冲击矿压是保 证安全生产 的首要问题 。6号煤层 属弱 冲击 型煤层 ，距离 4号 煤层底板约 4 0 m，根据 煤矿安全规程 和 冲 击地压煤层安全开采暂行 规定 ，华丰矿决定将 6 号煤层作为下保 护层开采 。为取得开采保 护层 的可 靠科学依 据与指 导方 案 ，华 丰矿与煤炭科学研究 总 院北京 开采所合 作 ，针对 华 丰矿 地质 与 开采 条件 ， 进行 了开采保护层数值模 拟研究 。 1 模 拟软件 F L A C简介 F L A C F a s t L a g r a n g e An a l y s i s C o n t i n u a 是 采 矿领域 大型专业软件 ，专 门解决岩体 非线性大变形 力学 问题 。F L AC针对 采矿 工程 特点 ，提 供 了多种 适用 于 岩 土 材 料 的 本 构 模 型 ，如 Mo h r C o u l o mb。 D r u k e r P r a g e r ，S t r a i n S o il i n g 和N U L L 等 ， 其 中 N U L L本 构模 型 可 以很 好 地 模 拟 采 矿 中 的采 掘 活 动 ，如 巷道掘进 、工作 面 推进 等。F L A C还提 供 了 I N T E RF AC E单 元 ，用 以模 拟 采 矿工 程 中特 有 弱 面 结构 ，包 括断层 、节理 和层理等 ；对于工作面 和巷 道支 护 ，如 液 压 支架 、锚 杆 、衬 砌 、桩 、梁 和 柱 等 ，F L A C都提供 了相 应的 特殊 模拟 单元 ，均 能很 好地反映 支护结构 特点 和受 力特 点 。F L A C功 能强 大还体现在 它能进行力 、热 、流两相或 多相耦合模 拟 ，可 以用来 解决采矿 中瓦斯突 出 、地 下水渗漏等 问题 。F I AC还有性 能 优 良的后处 理 工具 ，可 以绘 制 多种 曲线 和 图形 ，其 中包 括 等 应 力线 、等 位 移 线 、弹塑性破坏状 态图 、应 力实体图 、位移 实体图 等 ，为用户分析模拟 结果提供 了极 大的方便 。 文 中所 给 的 所有 数 值模 拟 结 果 都 是通 过 应 用 F I AC软件得 到的 。 2数值模 拟分析 2 ． 1保护层 卸压 效果模拟分 析 [ 收稿日期】2 0 0 2 0 8 2 9 【 作者简介】王永秀 1 9 7 6一男 ，山西定襄人 ， 2 0 0 2年清华大学工程力学系毕业，硕士 。现从事采矿工程数值模拟研究工作。 4 维普资讯 王永秀等 华丰矿保护层开采数值模 拟研究 2 0 0 3年第4期 2 ． 1 ． 1模型 建立 华丰矿 6号煤保 护层 开采数值 计算模型是 沿煤 岩层倾 斜剖面建立 的平面应变模 型 ，华丰矿煤 层倾 角为 2 83 2 。 ，在模 型中倾 角 取平 均 值 3 0 。 。模 拟 范围为 4号煤顶板 至 6号煤层直接 底 ，共 l 2层 ；4 号煤 层顶板 以上 的岩层对 4煤开采 所产生的结构 影 响较 小 ，可按等效 载荷考虑 。6号煤 层 工作 面 长度 按 1 2 0 m模 拟 ，模 型 长 高 为 3 1 4 m 2 7 0 m。 模型两端水 平 方 向固定 ，底端 垂 直方 向 固定 ， 顶 端承受均布外载 ，载荷大小 即为 4号煤层顶板 以 上岩层 的 自重应 力。根据矿压 观测资料 ，华 丰矿 地 应力主方 向基本 与垂直方 向和水 平方向相一致 ，垂 直应力随采深增加 呈线性增加 的趋 势 ，略大 于岩层 自重应力 。水平应 力约为垂直应 力的 1 ． 92 ． 2倍 。 在模型 中，初 始垂 直应力按岩层 自重应 力给定 ，而 水 平应力设定 为垂 直应力的 2倍 。 数值模 型各煤 岩层物理力学 参数通过岩块试 样 测试 、矿压 观测 结 果 和 正 交 实验 模 拟 综 合 分 析 获 得。数值模拟得 到的 4号煤工作 面顶板 垮落步距 与 观测结果相接 近 ，可 以说 模 型具 有较 好 的相似 性 ， 模拟得到 的数值结 果具有一定 的科学性 和可靠性 。 2 ． 1 ． 2结 果分析 图 l给 出了各煤 岩层的垂 直应 力等值 线 ，F等 应 力线表示应力值 为 一2 6 MP a 负号 表示煤 岩体 受 压 ，其值 约等于岩层 的原 始垂 直应 力 。图 2给 出 了 6号煤层开采前 后 4号煤 层 的应 力分布规律 。 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 l 8 0 20 0 水 平距 离／ In 1 9 0 1 7 0 1 5 0 1 3 0 { 1 1 0葛 嘲 9 0 7 0 5 0 图 l 6号煤层采后各煤岩层应力等值线 F等应力线将 岩层 分割成 卸压 区域 与非 卸压 区 域 两部分 ，与 6号煤 层夹角约 为 8 l 。 和 5 8 。 ，所以 6 号煤 层 开 采倾 向 上 、下 卸 压 保 护 角 分 别 为 8 l 。 和 芒 莲 删 1l l} 6 4煤层聚后；⋯ 6 煤层采前 图2 6号煤层开采前后 4号煤层应力分布规律 5 8 。 。卸压 区域 呈 抛 物 线形 ，6号 煤 层保 护层 卸 压 高度 1 2 0 m，4号煤 层 及 其 顶底 板 较 大 范 围都 得 到 了卸 压 。 通过 对模拟结 果进 一步 分 析 ，可 以得知 ，6号 煤层 开采后 ，在 4号煤 层 形成 约 9 7 m 长 的卸 压 区 间 。由两端 向中心 ，应力卸压 幅度逐渐增大 ，最 大 达 到 6 8 ％ 。通 过 类 似 的 分析 ，可 以得 到 6号煤 层 开采后 ，4号煤层顶 底板 的卸压 区间长 度和最 大卸 压 幅度 ，如表 l所 示。 表 1 4号煤层及其顶底板卸压情况 4号 煤层 卸压 区 间／ m 9 7 卸 压 幅度／ ％ 6 8 4号 煤4号煤4号煤 直接 顶 基 本顶 直接 底 8 8 9 5 l l 9 5 4 4 2 5 5 由表 l可 知 ，4号 煤 层顶 底 板 包括 直 接 顶 、 基本顶 和 直接 底 最 大卸 压 幅 度 超 过 4 o ％ 。4号 煤层最 大 卸压 幅 度 6 8 ％ ，按 平 均 5 0 ％ 计 算 ，4号 煤层 垂直应 力 约 一l 3 MP a 。根 据 华 丰矿矿 压 资 料 ， 华 丰矿 开采 临界 深度 约为 5 6 0 m，临界 原 岩垂 直应 力约 为 一1 4 ． 6 MP a 。所 以 ，通 过 开 采 6号煤 层 ，4 号煤层 的垂直应力 在卸压 区间内已经基本降低 到临 界应力 以下 ，冲击矿 压发生 的几率大大减小 。 2 ． 2 断层处煤柱 应力 影响模 拟分析 华丰矿地质构造 与煤层赋存情 况复杂 ，井 田内 中小 断层 发 育 ，绝 大 多数 为 正 断 层 ，落差 在 2 0 3 0 m之间 ，倾 角 6 08 0 。 。为避 免断 层水 渗漏 事故 的发生 ，在开采 6号煤层 时 ，必须 考虑在断层 附近 留设煤 柱 ，这样煤 柱尺寸将成 为影响保护层 开采效 果好坏 的一个关键 因素。本文共 模拟 了 7种不 同尺 寸 的煤 柱 应 力 集 中 情 况 。7种 尺 寸 分 别 取 3 0 m， 2 5 m，2 0 m，1 5 m，l O m，7 m 和 4 m。 5 维普资讯 总第5 7期 煤 矿 开 采 2 0 0 3年第4期 2 ． 2 ． 1 模 型 建立 本文 只考 虑正断层煤柱应 力影响 ，断层倾 角取 7 0 。 ，落 差取 2 0 m。模 拟 岩层 、岩 性及 与保 护 层 开 采模 拟模型相 同。 只是模 型尺寸不 同 ，在考 虑边界 影 响 的情况 下 长 高 取 为 3 0 0 m3 3 0 m。 F L A C软件 利 用 I N T E RF AC E单 元 模 拟 岩 体 中 的断层 。I N T E R F A C E单元 如图 3所示 。 图 3 I N T E R F A C E单元 示 意 图中 ，S为平 面滑 动 阻力 ；T为抗拉 强度 ；K 为法 向刚度 ， 。 为 切 向 刚度 ；L 为 结点 的关联 长 度 ；L 为结 点 的关联 长 度 ；⋯ 限 定 了结 点 关联 范 围。 I M[ ERF A C E单元描述 了 2个 接触 平 面 的作 用 关系 。I N T E R F A C E单元 可 以模 拟 出断层 两 侧岩 体 相互错动 和相互挤压或分 离的作用特 征。在平面 问 题 中，I N TE R F A C E单 元 的接 触 面 即为 接 触边 ，如 图 3中所示 的“ A边 ” 和“ B边 ” 。结点 位移 沿 接触边法 向和切 向分解 为 和 。 ，作 用于结 点上 的法 向力 和切 向力则 可以表示为 “ 一 A u ” ’ L 1 F s ” ’ 一 A u l ” M L 2 其 中 ，F 和 分别表 示结 点法 向和切 向作用 力 ，△ Ⅱ 和 △ Ⅱ 分 别 表 示 结 点 法 向 和 切 向位 移 增 量 。L表示结 点 关联 长度 。法 向刚度 和 切 向 刚 度 由下 式确定 c of ． ⋯ [ 】 ⋯ c of , ⋯ [ 】 和 G分别为 I N T E R F A C E单元两 侧单 元所 属 岩体 的 体 积 模 量 和 剪 切 模 量 ，△ Z ⋯ 表 示 I N T E R F AC E单元 相邻岩体 单元 中法 向最 小边 长。系数 c o f 一 般取值在 1～1 0之 间 ，如果 I N T E RF AC E单元 两 边 的 岩 体 为 一 个 整 体 ，c o f应 取 1 0，对 于 经 典 算 例 ，数值模 拟结 果与理论 计算 结果吻合得极 好 ；如 果 I N TE R F AC E单元模 拟实 际 的节理或 层理 等 弱面 结 构 ，c o f应 该 取 得 小一 些 。本 文 中，I N T E R F A C E 6 单元 所 模 拟 的 为 断 层 结 构 ，根 据 模 拟 试 验 分 析 ， c o l 和 c o 1 分别取为 4和 6。 2 ． 2 ． 2结 果分析 图 4给 出 6号煤层 留设煤柱情 况下各煤岩 层 的 垂 直应力等值线 ，各应力集 中区域及卸压 区域如图 中虚线所示 。图 5给 出了不 同尺寸煤柱在 4号煤 层 内产生 的集 中应力分布规律 ，曲线 1表示 4号煤 层 原 岩垂 直 应 力 ，曲线 2～8分 别 表 示 煤 柱 尺 寸 为 3 0 m，2 5 m，2 0 m，1 5 m，1 0 m，7 m 和 4 m 时 4号煤 层 应力分 布规律 。其 中图 a 和 图 b分 别 给 出的是 断层左 侧和右侧 的应 力分布规律 。 2 5 2 5 7 5 l 2 5 1 7 5 22 5 2 7 5 3 25 水平距离／ m 3 7 5 3 25 27 5 2 2 5 E l 7 5 葛 1 {l }{ l 25 7 5 25 2 5 图4 留设煤柱情况下各煤岩层应力等值线 通过对模拟 结果分析 ，可 以得知 ，在煤 柱上方 岩层 内形成 范围较广 、集 中程度较强 的应力 集 中区 域 。此应力集 中区域在 4号煤层 及其顶底板均 有较 大区间 的分布 ，致使 4号煤层 发生冲击矿压 的几 率 更大 。所 以，对 于 6号煤层在遇 有断层而不得不 留 设煤柱 的情况 下 ，应该 考虑 确定 煤 柱 的最佳 尺 寸 ， 即尽量减 小煤 柱对 4号 煤层 开采 的应力 集 中影 响 ， 同时保证 6号煤层 开采 的安全 。 通过 对 7种 不 同尺 寸 煤 柱应 力 集 中情 况 的分 析 ，可 以得知 ，4煤在断层 左侧 的应 力集 中主要 是 由 6煤在 断层左 侧的煤柱 引起 ，而 6煤在断层 右侧 的煤柱 主要影 响断层右侧 的 4煤应力分布规 律。 在断层左侧 ，随着煤柱 尺寸 的减 小 ，4号煤 层 中的应力 集 中强 度 将 增 大 ，而 应 力集 中 区 间将 减 小 ，但煤柱 尺 寸减 小 到 1 0 m左 右 时 ，应 力集 中程 度达到最 大 ，随着煤柱 尺寸的继续减小 ，应力集 中 程度和集 中范围都逐渐减小 。所 以，6号煤 层应尽 维普资讯 王永秀等 华丰矿保护层开采数值模拟研 究 2 0 0 3年第 4期 O． O l O ． O 一 2 0 ． O 邑一 3 0 ．0 2 一 4 0 ． 0 邈 铷一 5 0 ． 0 嘲 一 6O． O 一 7O． O 一 8 0 ． O 倾斜 长度／ m l 3 2 7 41 5 4 68 8 2 9 6 l 1 0 1 2 4 1 3 8 f I ／ l、 l } ； ／ ／／ ／ f I 倾斜长度／ m 1 4 7 1 6 3 l 7 8 1 9 4 2 0 9 2 25 2 4 0 2 5 6 2 7 2 I ／、／ 、 r＼ ＼ l 『一＼ -8 ／ 惫 ＼ 、、十一 ／ a 断层左侧 b 断层右侧 l 一 原 岩应 力 ；2 _ 3 0 m；3 -2 5 ；4 _ _ 2 0 m；5 一 l 5 ；6 一 l 0 ；7 -7 m；8 - _ 4 m 图5 不同煤柱尺寸情况下4号煤层应力分布规律 量 避免留设 l O m 左 右 的煤 柱 ，而 选择 大 于 或小 于 l O m 的煤 柱 。7种 尺 寸煤 柱 所 产 生 的应 力 集 中 区 间 、最大集 中应力 和最 大应 力集 中系数 见表 2 。 而 在断层右侧没有应 力集 中现象 ，所以在保证断层不 会发生水渗漏 的情 况下 ，煤柱 尺寸可 以尽量小 。 表 2 不同煤柱尺寸应力集中情况对比 壁垦 竺 3 0 2 5 2 0 l 5 l 0 7 4 应 力集 中 区间／ m 最 大集 中 应 力／ MP a 最 大应力 集 中系 数 8 0 7 6 6 8 61 5 7 4 9 4 3 61 ． 2 6 7． 3 6 9 ． 47 3． 4 7 6 ． 37 3． 361 ．1 3结论 1 本文利用 F L AC软 件 建立 数值计 算 模型 ， 对华 丰矿保 护层开采进行 了相关研究 ，得 到 了 6号 煤层 开采倾 向保护 范围 ，其 中包括倾 向保 护角和卸 压 高度 ，从而对 6号煤层保 护层卸压保 护效果获得 直观的认 识 。 2 针对华丰矿地质 条件 ，利用 F L AC软件 中 的 I N T E R F AC E单元建 立 断层 模拟 模 型 ，对 7种 不 同尺寸 的煤柱 进 行模 拟 ，得 到 在断层 存 在情 况下 ， 6号煤层 煤 柱 对 4号 煤 层 开 采 的应 力 集 中 影 响 规 律 ，为 开采 6号煤层及 4号煤层 提供 了科学依据 。 3 F L AC软件是 目前采 矿工程 中应 用较 广泛 模拟 效 果 较 好 的 一 种 软 件 ，它 所 提 供 的 I N T E R F A C E单 元 可 以较 好 地 模 拟 出岩 体 断 层 的 作 用 特 征 ，所 以通过 F I AC软件所获得 的模拟 结果 是具有 科学指 导意义 的。本 文将 数值模拟 、理论 计算和现 场 观测 有机结合 ，更增 强 了模拟结 果的可靠性 。 [ 参考文献 ] 【 1 ]蔡美峰 ．岩土力学与工程 [ M]． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]刘明需 ，周国庆 ．华丰井田地质构造特征及其展布规律分析 [ J ]．中国煤田地质 ， 2 0 0 0 ，1 2 2 1 - 3 ． [ 3 ]牛宝林 ，张元功，等．冲击地压预测与防治 [ J ]． 煤矿开采， 1 9 98， 2 2 0- 2 3 ． [ 4 ]I T A S C A C o n s u l t i n g G r o u p i n c ．F L A C 3 ． 3 U s e r ， s M a n u M [ S ] ．1 99 6 ． [ 5 ]钱鸣高，刘听成 ． 矿 山压力及其控制 [ M]． 北京 煤炭工业 出版社 ．1 9 9 1 ． [ 责任编辑 毛德兵] ／一 一 ‘ ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯ ⋯⋯⋯一一⋯⋯一⋯。 。 ⋯⋯⋯ 一一一。⋯一一～ 。 ＼ C { 煤矿 安 全 监察 工 作 的 新 目标 ； i 到 2 0 0 7年 ，全国煤矿安全生产工作要努力实现 “ 三个奋斗目标” 一是煤矿百万吨死亡率由 4 左右降到 3以下 ，下降 2 5 ％ ；二是事故死亡人数下降 3 0 ％ ；三是煤矿一次死亡 1 0人以上的特大事故 TI3 o ％。 7 O O O O O O O O O O o m 2 加 如 加 维普资讯