仲 叢 明

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 榆次 030620)

上行開(kāi)采層間巖層移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究

仲 叢 明

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 榆次 030620)

采用FLAC3D有限差分法分析軟件模擬了白家莊煤礦上行開(kāi)采的過(guò)程，通過(guò)改變層間巖層組合情況形成不同的數(shù)值模擬模型，計(jì)算分析上行開(kāi)采前后層間巖層應(yīng)力變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究下、上煤層開(kāi)采前后層間巖層的移動(dòng)變形規(guī)律，最后通過(guò)層間巖層的力學(xué)關(guān)系及移動(dòng)變形情況分析不同模型上行開(kāi)采的可行性，與傳統(tǒng)上行開(kāi)采可行性理論判定結(jié)果及生產(chǎn)實(shí)際一致。

上行開(kāi)采，F(xiàn)LAC3D，數(shù)值模擬，層間巖層，巖層移動(dòng)

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國(guó)Itasca公司基于拉格朗日差分法研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件。其將拉格朗日法應(yīng)用于固體力學(xué)中，來(lái)模擬巖土或其他材料構(gòu)建的結(jié)構(gòu)體的性能[1,2]。本文應(yīng)用FLAC3D模擬白家莊煤礦上行開(kāi)采層間巖層的大變形和時(shí)效性變形，進(jìn)而對(duì)上行開(kāi)采的可行性及開(kāi)采過(guò)程中層間巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)煤礦的上行開(kāi)采提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

1 工程基本情況

表1 6號(hào)煤頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)表

2 模擬方案及模型

以上行開(kāi)采工作面實(shí)際情況為基礎(chǔ)摩爾—庫(kù)侖(Mohr-cloulomb)計(jì)算模型，采用自由垮落法管理頂板，設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)控不平衡力及位移量(監(jiān)控點(diǎn)布置見(jiàn)圖2)。模型方案一長(zhǎng)220 m，高度48.4 m，兩側(cè)各預(yù)留20 m煤柱，8號(hào)煤采高2.0 m，6號(hào)煤采高1.7 m，走向長(zhǎng)180 m，層間巖層厚27.6 m，在8號(hào)煤開(kāi)采后6號(hào)煤采取循環(huán)進(jìn)刀的方式，每采10 m為一計(jì)算單元(見(jiàn)圖3)。模型方案二在方案一的基礎(chǔ)上將層間巖層的厚度減少為10.3 m，計(jì)算條件與方案一相同，具體計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模型層間巖層應(yīng)力分析

在下層煤層開(kāi)采后，壓應(yīng)力向兩側(cè)煤柱和圍巖轉(zhuǎn)移，使層間巖層壓應(yīng)力自上而下逐漸減小，直至壓應(yīng)力為零或轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力[3,4]；上行開(kāi)采是在下層煤開(kāi)采巖層垮落穩(wěn)定后開(kāi)采上部煤層，所以其應(yīng)力變化主要與上層煤采動(dòng)有關(guān)[5]，上層煤開(kāi)采破壞了原采空區(qū)上覆巖層的平衡狀態(tài)，使壓應(yīng)力再次向兩側(cè)移動(dòng)[6,7]。圖4為各監(jiān)控點(diǎn)壓應(yīng)力隨上行開(kāi)采推進(jìn)的變化曲線，上層煤采煤面未到達(dá)監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，該處壓應(yīng)力上大下小。此時(shí)下部監(jiān)控點(diǎn)臨近下層煤采空區(qū)，層間巖層存在梁結(jié)構(gòu)，支撐上覆巖層壓力，采空區(qū)穩(wěn)定性未受破壞。隨著上層煤采煤面的推進(jìn)，上層煤應(yīng)力影響范圍擴(kuò)大到監(jiān)控點(diǎn)位置，上行開(kāi)采造成的應(yīng)力變化開(kāi)始對(duì)監(jiān)控點(diǎn)起作用，該過(guò)程持續(xù)到采煤面經(jīng)過(guò)，在曲線上變化為先增大，采煤面經(jīng)過(guò)后應(yīng)力臨空釋放突然變小。

3.2 模型層間巖層的移動(dòng)變形分析

圖5為未進(jìn)行上行開(kāi)采時(shí)各巖層位移量，越臨近下層煤采空區(qū)，位移量越大；巖層的位移量從煤柱向采空區(qū)中心位置逐漸增大，但是位移增量減小，呈沉陷盆地狀；各巖層最大位移量均出現(xiàn)在下層煤采空區(qū)中部，其中上層煤頂板位移量最小，為19 cm，下層煤頂板位移量最大，為23 cm，部分巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，最大離層量為4 cm；最大位移量(23 cm)遠(yuǎn)小于下層煤采高(2 m)，可見(jiàn)此時(shí)層間巖層結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)明顯破斷及垮落現(xiàn)象。

圖6為監(jiān)控點(diǎn)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ點(diǎn)Z方向位移隨上層煤采煤面推進(jìn)變化曲線圖。采煤面距離監(jiān)控點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，在應(yīng)力作用下巖層整體下移，但未出現(xiàn)離層和分帶現(xiàn)象；當(dāng)上層煤采煤面前的集中壓應(yīng)力帶到達(dá)監(jiān)控點(diǎn)上部時(shí)，層間各巖層在應(yīng)力作用下的位移量出現(xiàn)差異；Ⅰ點(diǎn)上層煤基本頂，在上層煤采面經(jīng)過(guò)后，位移量變大，在未采取支護(hù)措施的情況下產(chǎn)生垮落；Ⅱ點(diǎn)(2.5 m石灰?guī)r)在上層煤采面經(jīng)過(guò)后位移量停止變化，說(shuō)明此時(shí)該層主要在層間巖層中傳遞橫向應(yīng)力，形成梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，有效的阻止上覆巖層下落，將應(yīng)力向前后柱腳傳遞，為控制層；Ⅲ點(diǎn)和Ⅳ點(diǎn)位于控制層下方，位移量依次增大，說(shuō)明上行開(kāi)采在過(guò)程中層間巖層離層量進(jìn)一步加大，雖然有控制層存在，但是控制層下部巖層仍然會(huì)向下移動(dòng)；隨上行開(kāi)采的進(jìn)行，各巖層位移量進(jìn)一步加大，但增量減小，逐漸進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)，可見(jiàn)控制層的存在有效的阻止了上覆巖層應(yīng)力的向下傳遞，控制層之上的巖層有控制層支撐不再向下移動(dòng)，其下部巖層在穩(wěn)定破壞后，由于不再接受上部巖層的壓力而轉(zhuǎn)為穩(wěn)定，所以控制層在上行開(kāi)采過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。

圖7為各巖層在上行開(kāi)采結(jié)束后的最大位移量，其中34.5 m線位移量較小，與下部巖層分離，根據(jù)前文分析，該層應(yīng)為控制層；上行開(kāi)采后控制層最大位移位置出現(xiàn)在140 m處，而其下部的巖層最大位移的位置在120 m處，這是由于上行開(kāi)采造成的集中應(yīng)力主要由控制層承擔(dān)，而下部巖層受影響相對(duì)較?。?.8 m線與28.9 m線的位移曲線近乎平行，與控制層相差較多，說(shuō)明在這之間的巖層是整體移動(dòng)的，主要在自重及水平方向應(yīng)力作用下移動(dòng)；39.4 m線為上層煤頂板，上層煤采動(dòng)后發(fā)生垮落，說(shuō)明上行開(kāi)采后上覆巖層運(yùn)移規(guī)律與普通開(kāi)采覆巖運(yùn)移規(guī)律總體相似。

3.3 上行開(kāi)采可行性分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析，該模型上行開(kāi)采中上層煤底板2.5 m石灰?guī)r與其下部巖層發(fā)生離層，但自身為穩(wěn)定平衡狀態(tài)，起控制層作用。在實(shí)際開(kāi)采中，在6號(hào)煤層向8號(hào)煤層鉆孔，孔深27.6 m，達(dá)到長(zhǎng)壁采空區(qū)，8號(hào)煤層回采之后，冒落帶巖層破壞，裂隙帶層理和節(jié)理有所改變，在6號(hào)煤層底板控制層2.5 m石灰?guī)r底部未見(jiàn)裂隙，6號(hào)煤層的整體性沒(méi)有遭到破壞，可進(jìn)行上行開(kāi)采，數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

圖8為方案二未進(jìn)行上層采動(dòng)時(shí)Z方向應(yīng)力云圖，該模型6號(hào)煤層處于拉應(yīng)力區(qū)域范圍內(nèi)，層間巖層不承受上部巖層傳遞的壓應(yīng)力，煤層失去其下部巖層的支撐力，考慮到大型采煤機(jī)械的自重與動(dòng)力作用、開(kāi)采過(guò)程中的支承壓力有限和巖層的不穩(wěn)定性，層間巖層會(huì)遭到破壞，故該模型不可上行開(kāi)采。根據(jù)“三帶”理論，此模型上層煤處于下層煤采空區(qū)冒落帶范圍內(nèi)，按傳統(tǒng)可行性理論判定為不可上行開(kāi)采，與數(shù)值模擬分析結(jié)果吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)實(shí)際工程的上行開(kāi)采圍巖應(yīng)力、位移情況的分析表明，在選取了正確計(jì)算參數(shù)和計(jì)算模型的前提下，應(yīng)用FLAC3D軟件研究上行開(kāi)采是可行的，可以獲得與實(shí)際開(kāi)采較吻合的移動(dòng)變形規(guī)律。2)層間巖層在上層煤開(kāi)采之前壓應(yīng)力增大，上層煤采過(guò)后短時(shí)間內(nèi)壓應(yīng)力急劇減小，而后隨上層煤頂板的垮落逐漸增加，直至巖層組重新穩(wěn)定，壓應(yīng)力總體呈現(xiàn)大—小—大的變化趨勢(shì)。3)上行開(kāi)采后，層間各巖層移動(dòng)量并不相同，其中控制層移動(dòng)量最小，其下部巖層仍會(huì)向下移動(dòng)，移動(dòng)量大于控制層，該移動(dòng)過(guò)程逐漸減緩，直至穩(wěn)定狀態(tài)。4)上行開(kāi)采破壞了層間巖層的穩(wěn)定性，主要原因歸結(jié)于采煤前進(jìn)方向即采煤工作面前的應(yīng)力集中現(xiàn)象，若層間巖層能夠承受前方支承壓力，并且能承受上層煤頂板垮冒的作用力，即層間巖層控制層始終以一整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，不產(chǎn)生大的破斷垮冒現(xiàn)象，那么上行開(kāi)采可行。

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Ascendingminingandmiddlestrata’smovingrulenumericalsimulationexperimentalresearch

ZHONGCong-ming

(TheShanxiProvincialThirdInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Yuci030620,China)

In this paper, the process of upward mining in Baijiazhuang mine is analyzed by the simulation function in FLAC3Dsoftware， the variation of rock pressure before and after upward mining is calculated and analyzed by means of numerical simulation model, and then the deformation and movement of middle strata before and after mining the upper and lower coal are further studied. Finally, the simulation results of studying the rock layer’s mechanical relationship and deformation condition is the same with actual mining.

ascending mining, FLAC3D， numerical simulation， rock strata between coal seams， strata movement

1009-6825(2014)33-0072-03

2014-09-17

仲叢明(1983- )，男，碩士，助理工程師

TD823.2

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