上行开采厚硬层间岩层移动变形数值模拟分析.pdf

Series No. 468 June2015 金属矿山 METAL MINE 总 第468 期 2015年第 6 期 收稿日期2015- 02- 26 基金项目国家自然科学基金项目 编号 51274111， 50804020 。 作者简介杨逾 1973 ， 男， 副院长， 教授， 博士， 博士研究生导师。 上行开采厚硬层间岩层移动变形数值模拟分析 杨逾 1 唐凯 1 梁鹏飞 2 1． 辽宁工程技术大学土木与交通学院， 辽宁 阜新 123000; 2． 阜新市公路工程质量与安全监督处， 辽宁 阜新 123000 摘要煤矿采用上行开采方式时， 层间岩层移动变形规律是决定上行开采可行性的关键因素。以同家梁煤矿 为工程背景， 研究上行开采厚硬层间岩层移动变形问题， 结合煤层赋存条件、 煤层开采情况及层间岩层物理力学性质 和特征等相关因素， 对 8煤层上行开采层间岩层的移动变形规律进行数值模拟分析。结果表明位于上行开采工作面 后方岩层随工作面推进竖向位移变大， 位于工作面前方岩层竖向位移先增大后减小; 随岩层深度增加， 岩层受上行开 采工作面二次采动影响程度变小， 岩层的竖向位移和塑性破坏区域范围减小。研究成果为判定上行开采可行性提供 理论依据。 关键词上行开采层间岩层竖向位移数值模拟 中图分类号TD 325文献标志码A文章编号1001- 1250 2015 - 06- 043- 05 Numerical Simulation Analysis of Movement and Deation of Thick and Hard Ｒock Strata between Coal Seams in the Ascending Mining Yang Yu1Tang Kai1Liang Pengfei2 1． School of Civil Engineering and Transportation， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China; 2． Fuxin Highway Engineering Quality and Safety Supervision Department， Fuxin 123000， China AbstractDuring the process of the ascending mining in coal mine， the movement and deation rules of interlayer rock are the key factors to affect the feasibility of ascending mining in coal mines． Taking Tongjialiang Coal Mine as engineering background to study the movement and deation problem of hard and thick strata， and combining the occurrence of coals， mining condition， physical mechanical properties and characteristics of strata， the movement and deation rules in 8 coal seam were analyzed by numerical simulation． The results showed that the vertical displacement of interlayer rock located at the rear of ascending mining working face became larger with the advancing， and the vertical displacement of interlayer rock located in front of the working face increased first and then decreased． The influence of second mining at ascending mining working face becomes small with the depth of rock strata increasing， and the vertical displacement and plastic damage area of interlayer rock decrease． The research results provide a theoretical basis for judging the feasibility of ascending mining． KeywordsAscending mining， Ｒock strata between coal seams， Vertical displacement， Numerical simulation 上行开采与层间岩层之间有着密切的联系， 层间 岩层的破坏情况是判定上行开采可行性的重要依据， 上行开采也会对层间岩层产生二次影响。因此， 只有 充分认识上行开采与层间岩层的相互影响关系， 尤其 是在特定岩层条件下， 层间岩层的移动变形和破坏规 律， 才能够更合理地对上部煤层进行开采， 及时有效 地采取相关措施， 以保证上行开采的安全。大同矿区 同家梁矿 408 盘区 12煤层已开采完毕， 现拟对其上 部的 8煤层进行开采。深入研究 2 个煤层之间层间 岩层的移动变形规律以及破坏情况， 对上行开采的安 全进行具有重要意义。 1模拟方案设计 1． 1工程背景 同家梁矿位于大同矿区向斜中段东南侧， 上行开 采区域主要集中在同家梁矿的 408 盘区， 此区域内的 主要可采煤层为 12煤层和 8煤层， 均为水平煤层。 12煤层埋深为 363. 5 m， 平均开采厚度为 3. 0 m， 现 已开采完毕; 8煤层埋深为 287. 2 m， 煤层平均厚度 为 1. 3 m， 准备采用上行开采的方法进行开采。 34 1. 2层间岩层特征 同家梁矿 12煤层与 8煤层之间的层间岩层厚 度为 67. 37 ～82. 70 m， 平均约为 75 m， 主要包括粉砂 岩、 细砂岩、 中砂岩、 粗砂岩和夹杂的少量黑色泥岩， 详见图 1。 图 18煤层顶板及层间岩层综合柱状图 Fig． 1Integrated histogram of 8 coal seam roof and rock layers 根据各层岩层的物理力学性质分析可知， 层间岩 层多为坚硬或极坚硬岩层。极坚硬岩层在采煤过程 中给矿井造成很多灾害， 煤炭开采后， 煤层顶板大面 积悬顶， 当悬顶面积达到一定范围之后， 会突然垮落， 破坏下面的生产设备， 造成地面沉陷， 甚至发生小型 矿震。 1. 3模型建立 根据实际开采情况， 确定模拟计算模型的尺寸为 800 m 400 m 370 m， 共分 17 层， 其中开采工作面 的大小为 500 m 140 m， 上行煤层开采工作面对齐 布置。 模型的前后面和左右面均施加水平约束， 底部边 界固定， 顶部为自由边界， 对水平和竖直位移均不进 行约束。整个模型进行重力加速度设置， 用来模拟由 于材料自重而产生的应力效果， 各层煤岩体均采用摩 尔 － 库伦塑性模型进行模拟。层间岩层各层的物理 力学参数见表 1。 1. 4监测点的布设 在模型中部分岩层及煤层中分别布置测线和相 应的监测点， 沿模型的 x 方向布设 4 条测线， 测线通 过 12煤层采空区的中间位置， 测线高度分别为 30、 50、 70、 81. 5 m 8煤层底板位置 ; 测线每隔 40 m 设 置一个监测点， 每条测线上共 21 个监测点， 详见图 2。 表 1层间岩层物理力学参数 Table 1The mechanical parameters of rock strata between coal seams 岩性 抗压 强度 /MPa 弹性 模量 /GPa 泊松比 抗拉 强度 /MPa 内聚力 /MPa 内摩 擦角 / 粉砂岩141. 5220. 261318. 8124. 3 细砂岩157. 7340. 2918. 728. 222. 2 中砂岩98. 225. 90. 2614. 523. 9112. 27 粗砂岩72. 417. 70. 2512. 213. 3142. 69 黑色泥岩10723. 50. 287. 64. 6940. 28 煤层20. 911. 90. 322. 73. 6127. 42 图 2测线布置图 Fig． 2Arrangement of the measured line 2层间岩层移动变形模拟分析 2. 1竖向移动随上行开采推进距离变化的规律 下煤层采空区顶板垮落重新压实以后， 上煤层才 可以进行上行开采， 所以上行开采过程产生的位移是 下煤层开采产生位移的延续。8煤层从 x 150 m 位 置开始推进， 推进长度为 500 m。分别对 8煤层推进 10、 50、 100、 200、 300、 400 和 500 m 后的层间岩层竖 向位移进行监测记录， 根据各监测点数据， 整理后得 到各测线监测点随推进距离而变化的竖向位移曲线， 具体见图 3。 由图 3 分析可知， 监测点 x 0 m 和 x 80 m 位 于 12煤层采空区对应位置的外部， 随着 8煤层的推 进， 这 2 点的竖向位移逐渐增加; 监测点 x 160 m 基 本位于 8煤层工作面开切眼的正下方， 其竖向位移 随 8煤层的推进而越来越小， 呈回升的趋势; 监测点 x 240 m、 x 320 m 和 x 400 m 均位于 8煤层的推 进方向， 8煤层开始推进后， 竖向位移随推进距离的 增加而增大， 但当推进位置接近监测点后， 监测点的 竖向位移开始减小， 减小到一定数值后趋于稳定。 根据以上对各监测点竖向位移数据的分析， 可以 总结出层间岩层竖向位移随上行开采推进距离而变 化的规律 上行开采过程中， 位于上行开采推进位置 后方对应的层间岩层， 其竖向位移随上行开采推进而 逐渐增大; 位于上行开采推进方向的层间岩层， 其竖 向位移先增大后减小。 44 总第 468 期金属矿山2015 年第 6 期 图 3层间岩层竖向位移随 8煤层推进距离变化规律 Fig． 3The variation of rock stratas vertical displacement with 8coal seams advance distance ■x 0 监测点;●x 80 监测点;▲x 160 监测点;x 240 监测点;x 320 监测点;x 400 监测点 2. 2竖向位移随深度变化的规律 上行开采对层间岩层产生的影响与层间岩层的 深度有直接联系， 根据上行开采前后层间岩层竖向位 移的变化曲线， 分析上行开采对层间岩层的竖向位移 产生的影响。上行开采前后竖向位移变化曲线 变 化值 ＞0， 表示相对开采前的回弹量; 变化值 ＜0， 表示 相对开采前的下沉量 见图 4。 由图 4 分析可知， 上行开采对采空区对应位置外 部的区域影响较小， 上行开采后， 此部分层间岩层产 生少量下沉; 而下部采空区对应位置的上方， 层间岩 层竖向位移变化较大， 上行开采后， 层间岩层的竖向 位移与上行开采前相比有回升的趋势， 层间岩层的竖 向位移变化量随着深度的增加而逐渐减小。 2. 3层间岩层破坏情况随深度变化的规律 上行开采以后， 层间岩层不仅仅是竖向位移发生 图 4上行开采前后层间岩层竖向位移变化曲线 Fig． 4The vertical displacement curve of rock strata before and after ascending mining between coal seams ■测线 1;●测线 2;▲测线 3;测线 4 了变化， 其岩层结构和稳定性也发生了变化， 因此对 开采前后层间岩层的塑性区域进行对比分析， 从而分 析上行开采对层间岩层产生的破坏影响。见图 5 ～ 图 8。 图 5 z 30 m 剖面上行开采前后塑性区变化 Fig． 5The variation of plastic zone before and after ascending mining at z 30 m section 由上各图对比分析， z 30 m 剖面层间岩层在上 行开采前已有大面积单元发生了破坏或正在发生破 坏， 上行开采后， 塑性单元并没有明显增加; z 50 m 剖面层间岩层在上行开采前只有部分单元受到破坏， 且零散分布， 上行开采后， 破坏单元明显增加， 且破坏 单元成片分布; z 70 m 剖面层间岩层上行开采前未 发生明显破坏， 上行开采后出现大面积破坏区域; 8 煤层底板在上行开采前未发生明显破坏， 但上行开采 54 杨逾等 上行开采厚硬层间岩层移动变形数值模拟分析2015 年第 6 期 图 6 z 50 m 剖面上行开采前后塑性区变化 Fig． 6The variation of plastic zone before and after ascending mining at z 50 m section 图 7 z 70 m 剖面上行开采前后塑性区变化 Fig． 7The variation of plastic zone before and after ascending mining at z 70 m section 图 88煤层底板上行开采前后塑性区变化 Fig． 8The variation of plastic zone before and after ascending mining at 8coal seam floor 后， 8煤层底板全部被破坏。 根据以上分析可知， 层间岩层在上行开采后又发 生了二次破坏， 破坏程度随岩层深度的增加而逐渐减 小， 当层间岩层足够厚时， 下部的层间岩层将不会受 到上行开采的影响。 3结论 1 与采空区位置相对应的厚硬层间岩层竖向 位移随推进距离的增加而先增大后减小; 上行开采完 毕后， 该区域层间岩层的竖向位移相比开采前有少量 回弹， 回弹量随层间岩层的深度增加而逐渐减小; 对 应在采空区位置之外的层间岩层受上行开采影响较 小。 2 上行开采对层间岩层造成了二次破坏， 破坏 程度随层间岩层的深度增加而逐渐减小。因此， 足够 的层间岩层厚度是上行开采安全进行的必要条件之 一。 参考文献 ［ 1］缪协兴， 钱鸣高． 中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望［J］ ． 采矿与安全工程学报， 2009， 26 1 1- 14． Miao Xiexing， Qian Minggao． Ｒesearch on green mining of coal re- sources in China current status and future prospects［J］． Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2009， 26 1 1- 14． ［ 2］冯国瑞． 残采区上行开采基础理论及应用研究［D］． 太原 太原 理工大学， 2009． Feng Guorui． Study on the Theory and Its Application of Upward Mining of Left- over Coal［D］ ． Taiyuan Taiyuan University of Tech- nology， 2009． ［ 3］仲丛明． 垮落法残采区上行开采层间岩层移动变形规律数值模 拟研究［ D］ ． 太原 太原理工大学， 2011． Zhong Congming． Ｒesearch on Movement and Deation Ｒules of Ｒock Strata between Coal Seams in Caving upward Mining of Left- over Coal with Numerical Simulation［D］． Taiyuan Taiyuan U- niversity of Technology， 2011． ［ 4］郑婧． 晋华宫矿刀柱式残采区上行开采层间岩层移动变形规 律研究［ D］ ． 太原 太原理工大学， 2011． Zheng Jing． Ｒesearch on Ｒock Strata between Coal Seams Movement and Deation in Pillar Ascending Mining of the Left- over Coal in Jinhuagong Mine［D］ ． Taiyuan Taiyuan University of Technology， 2011． ［ 5］钱鸣高， 缪协兴． 岩层控制的关键层理论［ M］ ． 徐州 中国矿业大 学出版社， 2000． Qian Minggao， Miao Xiexing． Key Strata Theory in Strata Control ［ M］ ． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 2000． ［ 6］冯国瑞， 张绪言， 李建军， 等． 刀柱采空区上方遗弃煤层上行开 采可行性判定［J］． 煤炭学报， 2009， 34 6 726- 730． Feng Guorui， Zhang Xuyan， Li Jianjun， et al． Feasibility on the up- ward mining of the left- over coal above goaf with pillar supporting ［J］． Journal of China Coal Society， 2009， 34 6 726- 730． ［ 7］王高利． 厚硬顶板破断规律及控制研究［D］ ． 淮南 安徽理工大 学， 2008． Wang Gaoli． Study on the Fracture Laws and Controlling of Thick and Hard Ｒoof［D］ ． Huainan Anhui University of Science ＆ Tech- nology， 2008． ［ 8］谢和平， 周宏伟， 等． FLAC 在煤矿开采沉陷预测中的应用及对 比分析［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 1999， 18 4 397- 401． Xie Heping， Zhou Hongwei， et al． Application of FLAC to predict ground surface displacements due to coal extraction and its compara- 64 总第 468 期金属矿山2015 年第 6 期 tive analysis［J］ ． Chinese Journal of Ｒock Mechanics and Engineer- ing， 1999， 18 4 397- 401． ［ 9］曹胜根， 姜海军， 王福海， 等． 采场上覆坚硬岩层破断的数值模 拟研究［J］． 采矿与安全工程学报， 2013， 30 2 205- 210． Cao Shenggen， Jiang Haijun， Wang Fuhai， et al． Numerical simula- tion of overlying hard strata rupture in a coal face［J］ ． Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2013， 30 2 205- 210． ［ 10］张宏伟， 韩军， 海立鑫， 等． 近距煤层群上行开采技术研究 ［ J］． 采矿与安全工程学报， 2013， 30 1 63- 67． Zhang Hongwei， Han Jun， Hai Lixin， et al． Study on closed multi- ple- seam in the ascending mining technology［J］． Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2013， 30 1 63- 67． ［ 11］钱鸣高， 石平五． 矿山压力与岩层控制［M］ ． 徐州 中国矿业大 学出版社， 2003． Qian Minggao， Shi Pingwu． Mining Pressure and Strata Control ［ M］． Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 2003． ［ 12］冯国瑞， 任亚峰， 王鲜霞， 等． 采空区上覆煤层开采层间岩层移 动变形实验研究［ J］ ． 采矿与安全工程学报， 2011， 28 3 430- 435． Feng Guorui， Ｒen Yafeng， Wang Xianxia， et al． Experimental study on the movement and deation of rock strata between coal seams in the coal mining above gob area［J］ ． Journal of Mining ＆ Safety Engineering， 2011， 28 3 430- 435． ［ 13］王广利， 海立鑫， 李明， 等． 清河门矿近距离煤层群上行开采 技术［ J］． 辽宁工程技术大学学报， 2009， 28 S 19- 21． Wang Guangli， Hai Lixin， Li Ming， et al． Ｒesearch of near range o- ver mining of Qinghemen Coal Mine［J］ ． Journal of Liaoning Tech- nical University， 2009， 28 S 19- 21． 责任编辑石海林 74 杨逾等 上行开采厚硬层间岩层移动变形数值模拟分析2015 年第 6 期