保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟.pdf
第 3 3卷第 1 期 2 0 0 8年 1月 煤 炭 学 报 J 0 URN AL O F C HI N A C 0A L S OC I E T Y Vo I | 3 3 No. 1 J a n . 2 0 0 8 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 8 0 1 0 0 1 7 0 6 保护层 开采上覆煤层变形特性数值模拟 石必明, 刘泽功 安徽理工大学 能源与安全学院,安徽 淮南2 3 2 0 0 1 摘要 基于岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,利用 R F P A应 用系统模拟分析 了保护层开采 过程中,被保护层层厚变形规律、煤层水平变形特征和保护层与被保护层之间的相对层间距对被 保护层保护效果的影响,认为随着保护层采煤工作面向前推进,被保护层垂直变形呈现 “ M”型 分布;卸压区煤层水平变形呈现拉抻和挤压状 态,增加该 区域煤体机械破坏 ,有利于被保护层次 生裂隙的发育;相对层 间距对被保护层卸压 变形产 生较 大影响,相对层 间距愈大,其变形量减 小,不利于煤层 离层裂 隙和破 断裂 隙的产生.对数值模拟结果与现场 实际测定结果进行对比分 析 ,两者基 本吻合 . 关键词 保护层开采 ;数值模拟;煤岩变形;煤与瓦斯突出 中图分类号 T D 7 1 3 . 3 1 文献标识码A Nume r i c a l s i m u l a t i o n o f t h e u ppe r c o a l a nd r o c k d e f o r ma t i o n c ha r a c t e r i s t i c c a u s e d b y mi n i ng pr o t e c t i ng s t r a t um S HI Bi mi n g ,L I U Z e g o n g C o l l e g e o fMi n i n g a n d S a f e t y ,A n h u U n i v e r s i t y ofS c ie n c e a nd c Mf 0 ,H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ,C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t he r o c k f a i l ur e d a ma g e t h e o rie s a n d t h e fin i t e e l e me n t me t h o d,t h e d y n a mi c p r o g r e s s i v e p r o c e s s o f t h e u p pe r p r o t e c t e d c o a l c a u s e d b y mi n i n g t h e p r o t e c t i n g c o a l wa s s i mu l a t e d b y RF PA s o ft s y s t e m.Th e d e f o r ma t i o n l a w o f t h e p r o t e c t e d c o a l t h i c k n e s s ,the h o riz o n t a l mo v e me n t c h a r a c t e ris t i c s a n d t h e e ffe c t s o f the r e l a t i r e d i s t a n c e f o r t h e p r o t e c t e d s t r a t a a l o n g wi t h t h e mi n i ng p r o t e c t i n g s t r a t u m mi n i n g we r e f o u n d,Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e v e r t i c a l d e f o rm a t i o n o f t h e p r o t e c t e d c o a l s t r a t a i s d i s t rib u t e d a c c o r d i n g t o“M” wi t h i n l i mi t s o f p r o t e c t e d s t r a t a,a n d t h e c o a l s e a ms i n p r e s s u r e r e l i e f z o n e o f p r o t e c t e d l a y e r h o riz o n t a l l y mo v e a t r e v e r s e o rie n t a t i o n, wh i c h ma k e s t he c o al s e a m e n d ur e t h e l e v e l s t r e t c h a n d e x t r u s i o n a n d r e s u l t s i n p h y s i c al d i s t ur b a nc e o f t h e c o al b o d y i n t h e a r e a t h a t ma k e s for t h e d e v e l o p me n t o f s e c o n d a r y f r a c t u r e,a n d t h r o u g h s i mu l a t i n g t h e c o n n e c t i o n b e t we e n t h e r e l a t i v e d i s t a n c e a n d t h e p r e s s u r e r e l i e f d e f o rm a t i o n o f p r o t e c t e d l a y e r ,i t i s o bs e r v e d t h a t t h e l o n g e r t h e r e l a t i v e l y i n t e r l a y e r i n t e rval ,t h e s ma l l e r t h e de f o rm a t i o n i s,wh i c h g o e s a g a i n s t t he c r e a t i o n o f ru p t u r e c r a n n i e s a n d b e d s e p a r a t i o n c r a n n i e s .Th e e x p e rime n t r e s u l t s a t s i t e a r e c o n s i s t e n t wi t h t h o s e r e s u l t s s h o wn a b o v e . Ke y wo r d sp r o t e c t i n g s t r a t u m mi n i n g;n u me ric a l s i mul a t i o n;c o a l a n d r o c k d e f o rm a t i o n;c o a l a n d g a s o u t b u r s t 随着煤矿开采规模的不断扩大以及开采深度 的增加, 要因素.尤其在开采低透气性高瓦斯有突出危险煤层时, 煤矿瓦斯 的特殊涌出成为制约矿井高产高效的主 煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的自然灾 收稿 日期 2 0 0 7 0 2 0 6 责任编辑 毕永华 基金项目安徽省科技厅自然基金资助项目 0 5 0 4 4 0 4 0 2 ;安徽省教育厅自然科学基金资助项目 2 0 0 5 K J 0 1 5 作者简介石必明 1 9 6 _4 一 ,男,安徽太湖人,教授, 博士.T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 7 5 3 ,E m a i l b i m i n g s h i 1 6 3 . c o rn 维普资讯 1 8 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 害之一 ,如何安全、经济、有效地防治煤与瓦斯突出,前人为此进行了大量的研究 ,提出了许多有效的防 治措施 ,对减少和预防煤与瓦斯突出做 出了卓有成效的贡献.其 中保护层开采技术是 已被大量实践证明并 用法规形式确立的防治煤矿突出危险的行之有效的方法 ,在 国内外被广泛应用.保护层开采能使突出危险 煤层的应力 一形变状态和瓦斯动力状态发生改变 ,使被保护层卸压,释放煤层 的弹性潜能,增大煤层的透 气性 ,有利于被保护层的瓦斯流动 、解吸 ,从而减少煤层含量 ,以降低煤层瓦斯内能,达到预防煤与瓦斯 突出的 目的.在研究保护层开采过程 中,被保护层变形特性对现场保护层开采方案的有效实施具有重要的 理论和实际意义. 数值模拟作为一种力学分析工具已被学术界和工程界广泛接受.本文拟采用从微元强度的统计人手 , 建立反映岩石材料微观 细观非均匀性与变形非线性联系的弹性损伤模型 ,开发了基于有限元理论和 全新的材料破裂过程算法思想的岩石破裂全过程 R F P A 。 分析系统 J ,对保护层开采过程 中上覆岩层垮落 移动和被保护层变形规律 ,以及不同相对层间距时被保护层煤层变形特性等进行模拟分析. 1 数值模拟本构关 系 岩石应力 一 应变曲线的非线性是由于其受力后的不断损伤引起微裂纹萌生和扩展而造成的,而不是由 于其塑性变形 ,因此,用弹性损伤力学的本构关系来描述岩石 的细观力学性质是合适的_ l 卫 J .从岩石的微 观结构上讲,一方面因为大量节理、裂隙的存在,岩石不是连续介质;另一方面由于岩石仍属于结晶材 料 ,故岩石也不是离散介质,这就说明了岩石从构造本质上讲是一种非线性材料.岩石 的非线性本质还表 现在岩石的变形、演化以及其中裂隙和孔隙空间分布的复杂性和高度无序性等方面. 在岩石破坏初始状态 ,细观单元是弹性的,其力学性质可以完全由弹性模量和 I刍 松比来表达 ,随着单 元应力的增加,当单元的应力状态或者应变状态满足给定的损伤阈值时,单元开始损伤.在不同的应力组 合条件下 ,岩石的破坏表现出剪切和拉伸 2种形式.通常,可以利用库仑准则判别压缩破坏 ,利用最大拉 应力准则判别拉伸破坏.考虑研究 区域细观单元在压缩或剪应力作用下的损伤 ,采用修正的摩尔库仑准则 可考虑拉伸破坏作为基元破坏判据 ,其特点是可同时考虑拉伸或剪切破坏,其表达式H 为 f l 一 } ≥ 3 ≥ 0 , , 1 、 I , ≤l_ 1su , 0 , 式中, , 分别为最大、最小主应力 ,MP a ; 为内摩擦角 , 。 ; 为单轴抗压强度,M P a ; 为单 轴抗拉强度 ,MP a . 在单轴受拉的应力状态下,当剪应力达到莫尔 一 库仑损伤阈值时,细观的损伤本构关系为 D 式 中,D为损伤变量 ,D 0对应无损伤状态,D1对应完全损伤状态 ,0D1对应不同程度的损伤程 度 ; 为单元残余强度 ,MP a ; s 。 为弹性极限所对应的拉伸应变 ;s 为极限拉伸应变 ; E 。 为初始弹性模量 , MP a . 在单轴压缩应力状态下 ,当剪应力达到莫尔 一库仑损伤阈值时 ,细观的损伤本构关系为 r 0 s ≥ S S 一 一 维普资讯 第 1 期 石必明等保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟 1 9 2 模拟条件及煤岩力学参数 以某煤矿保护层 工作面作为模拟条件 ,该工作面风巷与机巷在标高 一6 0 0 ~ 一6 5 0 m之 间, 倾斜长 1 9 0 m,走向长 1 6 4 0 m,煤层厚度平均 1 . 9 m,煤层倾角平均 9 。 ,煤层原始瓦斯含量 4~ 7 m / t , 相对瓦斯涌出量 5 . 2 3~ 7 . 3 2 m / t ,属低瓦斯煤层 .被保护层 c , 平均厚度 6 . 0 m,煤层原始瓦斯含量 l 2~ 2 2 m / t ,原始瓦斯压力高达 4 . 4 M P a ,煤层原始透气性系数为 3 . 9 21 0 m / M P a d ,该煤层 在其它区域开采过程中经常出现工作面瓦斯超限,且多次发生煤与瓦斯突出,目前采取的主要措施是顶板 走向钻孔抽放采空区上部瓦斯,以降低工作面 上隅角瓦斯涌出,同时进行本煤层瓦斯未卸压 抽放,以减少本煤层瓦斯含量,降低煤层瓦斯 压力和瓦斯弹性潜能,但 由于该煤层属低透气 性有突出危险煤层 ,抽放效果不明显 ,所 以有 必要采取有效措施 ,增大煤层透气性 ,结合矿 井煤层赋存条件 ,采取开采 煤层 ,保护 c , 煤层. 煤层与 C , 煤层之间的法线距离平均 为 6 6 . 7 m,属远距离保护层开采. 数值模型采用二维平面应变模型 ] .根 据研究 问题 的实 际情 况 ,主要模 拟 煤 层 保护层与 c , 煤层 被保护层 之 间覆岩 移动、被保护层煤层变形及透气性变化规律 , 因此,仅模拟 直接底至 c , 煤层直接顶,模 型岩层 共计 l 6层 ,主要 岩体力 学参 数见 表 1 “ .模型上部岩层质量采用均匀分布载荷 代替 ,左右及下部边界为固定边界,模型沿水 平方 向取 2 6 0 m,垂 直方 向取 1 2 0 m,划分 2 6 01 2 0个单元 , 保护层采用分步开挖 的 开采方式 ,一次采全高 ,每步开挖 5个单元 , 即5 m,垮落法顶板管理. 3 数值模拟结果及分析 表 1 数值模拟模型各岩层主要力学参数 Ta bl e 1 M e c han i c pa r a me t e r s o f r o c k s t r a t a i n nume r i c a l s i mu l at l 0 n mo de l 一 , , , 攀 / ~ 。 二 忧一 / 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 逐渐减小,达到一定值后趋于稳定.在保护层开采工作面后方采空区一定范围内, 应力未恢复区煤层变形 仍保持较大值. 2 由于保护层开采使上覆岩层应力重新分布 ,保护层一定范 围内煤层被压缩 ,当保护层推进距离 达到一定值后 ,其压缩量趋于稳定,其保护层切眼上方的被保护层煤柱 内,煤层最大压缩变形约 1 5 3 m m, 保护层工作面前方被保护层煤体压缩变形最大为 8 0 . 4 m m. 3 随着保护层采煤工作面向前推进 ,被保护层变形呈现压缩 、膨胀、膨胀减小到稳定的变化规律, 从 图 1 被保护层中保护层切眼前方约 4 0 m,工作面煤壁后方 2 0 m上方煤体膨胀变形最大 ,采空区中部煤 体膨胀变形较小 ,说明远距离保护层开采后位于弯曲下沉带 内的被保护层中存在稳定的煤层变形增大区, 该区域煤体裂隙发育 ,有利于瓦斯运移和煤层瓦斯卸压抽放. 3 . 2 被保护层水平变形规律 图 2为被保护层水平变形位移 随保护层采 煤工作面推进距离的变化关系.图中横坐标为工 作面相对位置,纵坐标为被保护层水平变形位移 值 ,大于零表明煤层移动方 向与开采方 向一致 , 反之与开采方向相反.分析 图示 曲线分布可以看 出,当保护层工作面推进距离较小时,被保护层 卸压煤层水平移动方 向与回采方向相反 ,此时煤 层受到压缩引起的单 向水平挤压作用 ,不利于提 高煤层透气性 ;随着工作面推进距离的增大,被 保护层卸压区煤层水平变形出现两个区域 ,切眼 . . ~ 、 \ 二 j 图2 水平变形位移随保护层工作面推进距离的变化 F i g . 2 Di s t r i b u t i o n c h a r a c t e ris t i c o f t h e h o ri z o n t mo v e me n t a l 0 n g w i th the c h a n g e o f mi n i n g e x c a v a t i o n r a n g e 前方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向一致 ;工作面后方一定距离煤层的水平移动方向与 回采方 向 相反,两侧煤层水平移动不对称 ,此时卸压区煤层受到水平拉抻和挤压作用 ,使该区域煤体机械破坏增 加 ,有利于被保护层次生裂隙的发育 ,增加煤层的透气性. 、 4 相对层间距与被保护层变形关 系 为了考察相对层 间距 保护层 与被保护层垂 直间距与保护层开采高度之 比对被保 护层变形 的影响,对不同的相对层间距时被保护层变形特性 进行了模拟.模型中含有一层坚硬岩层 ,为了简化 模拟计算,其它岩层均设置为中等硬度岩层 ,开采 煤层厚度为 2 m,被保护层层厚 6 m.图 3是相对 层间距为 4 0 方案 1 时的模 拟结果.图 中横坐 标为被保护层的相对位置, “ 0 ”为对应保护层 的 开切眼,纵坐标表示被保护层变形.分析图中变形 分布 特性 可 知,当保 护层 工作 面开采 距 离 小于 u l 4 ~ 蕞z ‘ 。 /\. / O 图3 方案 1 被保护层变形分布特性 F i g . 3 D i s t ri b u t i o n c h ara c t e ri s t i c o f t h e thi c k n e s s c h a n g e s a b o u t t h e p r o t e c t e d s t r a t u m i n t h e No . 1 s c h e me 5 0 m,即主关键层发生初次破断以前 ,保护层 的开采对被保护层 的影响较弱 ,被保护层膨胀变形量较小 , 随着保护层工作面不断向前推进,被保护层变形量逐渐增大,但达到最大值的时间较长,如从开采 1 0 0 m 到 1 2 0 m,相差仅为 2 0 m,而被保护层变形量相差却很大 ,同时 ,当保护层工作面开采约 8 0 m,被保护 层膨胀变形达到最大值,说明相对层间距较大时, 保护层的开采对被保护层的影响减小,被保护层膨胀变 形滞后时间较长. 图 4是相对层间距为 2 0时的模拟结果 方案 2 .分析图中被保护层变形分布特性可见 ,保护层开采 对被保护层的影响明显 ,当工作面推进 3 0 m时 ,即工作面发生初始 冒顶 ,被保护层即产生明显膨胀变形 , 维普资讯 第 1 期 石必明等保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟 2 1 g 季 童 6 4 。2 乡 图4 方案2被保护层变形分布特性 F i g . 4 Di s t ribu t i o n c h a r a c t e ris t i c o f t h e t h i c kn e s s c h a n g e s a b o u t the p r o t e c t e d s t r a t u m i n the No . 2 s c h e me 当保护层工作面开采距离大于 5 0 m,即主关键层发生 初次破断以后 ,被保护层产生较大膨胀变形 ,随着保 护层工作面不断向前推进,被保护层膨胀变形迅速达 到最大值 ,图中开采 1 0 0 m和开采 1 2 0 m时,煤层膨 胀变形最 大值相近 ,同时,当保护层工 作面开采 约 8 0 m,被保护层膨胀变形达到最大值 ,说 明当相对层 间距较小时,保护层开采对被保护层的影响增大,不 仅被保护层膨胀变形剧增,而且膨胀变形滞后时间大 大减小. 比较图 3和 图 4被保护层 变形 分布特性 可以看 出,在保护层开采过程中相对层 间距对被保护层卸压变形产生较大影响 ,相对层间距愈大,保护层开采对 被保护层的影响愈小,表现为煤层压缩变形和膨胀变形均较小 ,膨胀变形的滞后时间增长,不利于被保护 煤层离层裂隙和破断裂隙的产生 ,这样 ,保护层与被保护层之间的开采超前距应相应增大. 5 现场试验对 比分析 由于现场实际条件 的限制 ,仅在试验工作面一个地点采用深部基点法测定保护层开采过程中,被保护 层 C , 煤层的变形 ,即通过深部钻孔 ,在煤层 的顶 底板岩石中分别安设测点 ,通过观测两个测点之 间的 相对位移来确定煤层 的变形.深部基点结构如 图 5所 示 . 具体方法如下在 c 坞 煤层的底板抽排巷 中选定 一 个测点,向 c , 煤层打钻 ,直达 c 。 煤层的顶板 进 入 1 . 0 m左右 .在煤层顶板及底板各安装一对钢楔 , 钢楔 由钢管和钢板做成 ,形状如倒 楔形 锚杆.煤层 顶 板的钢楔焊接 1 0 m m钢筋,穿过煤 层底板 的钢楔至 孔 口.煤层底板的钢楔焊有一根 4 , 1 5 m m的无缝钢管 , 套在与顶板钢楔相联的钢筋上.用游标卡尺或钢卷尺 测定钢管与钢筋 的相对位移 ,即为煤层顶底板相对 变 形. 测定结果如图 6所示.由图 6可 以看 出,在 煤 层开采期间,c 煤层 的压缩变形最大达到 2 7 m m,最 大膨胀变形为 2 1 0 . 4 4 m m.煤层 的最大相对压缩变形 为0 . 3 3 7 %.最大膨胀变形为 2 . 6 3 %.说明保护层开采 1 0 mm钢筋 顶板钢楔 底板钢楔 图5 深部基点结构 F i g . 5 n e s t r u c t u r e o f t h e d e e p ba s e p o i nt 图6 被保护层变形特性曲线 F i g . 6 Di s t ri b u t i o n c h ara c t e ri s t i c o f the t h i c k n e s s c h an g e s a b o u t t h e p r o t e c t e d s t r a t u m 导致被保护层地应力有较大的下降 ,煤层内裂隙相应地增加.测定结果与数值模拟结果接近 ,说明数值模 拟基本符合实际,为现场试验区合理布置瓦斯抽采钻孔提供了理论指导. 6结 论 1 保护层开采对被保护层产生较大影响 ,随着保护层开采 ,上覆岩层不断垮落 ,被保护层的最大 主应力大大降低,被保护层在一定范围内发生膨胀变形, 但随着保护层推进距离的不断增加,被保护层的 最大主应力有所恢复, 煤层的膨胀变形逐渐减小,达到一定值后趋于稳定,该区域煤体裂隙发育,煤层透 气性大大增加 ,有利于瓦斯运移和煤层瓦斯卸压抽放. 2 随着保护层工作面推进距离的增大 ,被保护层卸压区煤层水平变形出现两个 区域 ,切眼前方一 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 定距离煤层的水平移动方向与回采方向一致 ;工作面后方一定距离煤层 的水平移动方 向与回采方向相反 , 这样被保护层卸压区煤层受到水平拉抻和挤压作用 ,使该区域煤体机械破坏增加 ,有利于被保护层次生裂 隙的发育 ,进一步增加煤层的透气性. 3 在保护层开采过程 中相对层间距对被保护层卸压变形产生较大影响 ,相对层间距愈大 ,保护层 开采对被保护层的影响愈小 ,膨胀变形的滞后时间增加 ,不利于被保护煤层离层裂 隙和破断裂隙的产生 , 为了保证保护层开采效果 ,应增大开采超前距.因此 ,在矿井生产的实际过程中,在被保护层 中进行卸压 抽放时,应考虑保护层开采过程中,被保护层透气性的时空演化分布规律. 参考 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 文献 杨天鸿,唐春安,徐涛,等.岩石破裂过程渗流特.眭一 理论、模型和应用 [ M] .北京科学出版社,2 0 0 4 . 程远平,俞启香.煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究 [ J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 4 ,3 3 2 1 3 2~1 3 6 . 刘红元 ,刘建新,唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟 [ J ] .岩土工程学报,2 0 0 1 ,2 3 2 2 0 1 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D z i u r z y n s k i W, K r a c h A .Ma t h e m a t i c a l m o d e l o f m e tha n e e m i s s i o n c a u s e d b y a c o l l a p s e o f r o c k ma s s c r u m p[ J ] .A r c h i v e s o f Mi n i n g S c i e n c e s , 2 0 0 1 , 4 6 4 4 3 3~ 4 4 9 . V all i a p p a n S , Z h a n g Wo h u a .N u m e r i c al m o d e l i n g o f m e tha n e g a s m i g r a t i o n i n d r y c o al s e R 1T I S[ J ] .G e o m e c h a n i c s A b s t r a c t s 。 1 9 9 7 1 1 0~ 1 2 . 程远平,周德永,俞启香,等.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究 [ J ] .采矿与安全学报,2 0 0 6 ,2 3 1 1 2~ 1 8 . 石必明,俞启香,王凯.远程保护层开采上覆煤层透气性动态演化规律试验研究 [ J ] .岩石力学与工程学报, 2 0 0 6 ,2 5 9 1 9 1 7~1 9 2 1 . 程远平,俞启香.煤层群煤与瓦斯安全高效共采体系及应用 [ J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 3 ,3 2 5 4 7 1 ~ 4 7 5 . 夏红春,程远平.利用覆岩移动特性实现煤与瓦斯安全高效共采 [ J ] .辽宁工程技术大学学报,2 0 0 6 ,2 5 2 1 68~1 71. 神华 3 . 5 m液压支架国产化工作取得重大成果 2 0 0 71 21 0 ,Z Y 8 8 0 0 / 1 7 / 3 5 D高强度液压支架研制项 目验收会在神 东矿 区召开、根据检测结果以及 工业性试验验证 ,该批试验产品达到合 同要求的技术指标 性能,主要性能指标达到欧洲同类产品水平. 该项 目是 中国神华能源股份有限公司科技创新项 目,于2 0 0 5年 3月启动,2 0 0 61 l 一1 5完成 3 0架产 品的装调及联调,2 0 0 7 0 3 2 9开始在分公司大柳塔矿活鸡兔井使用.运行 8个月来,过煤量 1 5 4万 t , 支架整体运行 良好.Z Y 8 8 0 0 / 1 7 / 3 5 D高强度液压支架是 由中国神华能源股份有 限公 司与航天科技集 团合 作研制生产 ,拥有 自主知识产权.与 同类进 口产品相 比,该 支架可降低成本 5 0 % 以上.项 目成功对 于神 华乃至全国煤炭行业都将产生非常深远的影响. 摘 自 “ 中国煤炭 工业网” 维普资讯