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        基于有限元數(shù)值模擬的頂板破壞高度研究

        2019-09-10 13:34:59襲俸加張海濤司鳳霞
        河南科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:陽(yáng)泉巖層力學(xué)

        襲俸加 張海濤 司鳳霞

        摘 要:針對(duì)陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤頂板破壞進(jìn)行研究,可以為煤礦的安全生產(chǎn)提供有效信息。通過(guò)對(duì)研究區(qū)15#煤頂板樣品進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究,得出15#煤頂板不同巖性巖石的力學(xué)參數(shù),再結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算15#煤開(kāi)采頂板破壞高度及其對(duì)上覆老空積水區(qū)的影響。結(jié)果表明:15#煤上方巖層主要為K2灰?guī)r及泥巖,其抗剪強(qiáng)度為1.18~1.21MPa;綜合數(shù)值模擬的結(jié)果,15#煤層開(kāi)采片區(qū)在平均采厚為6.8m時(shí),覆巖層垮落帶的最大高度應(yīng)取為31m,導(dǎo)水裂隙帶的最大高度取76m。

        關(guān)鍵詞:陽(yáng)泉;15#煤頂板;巖石力學(xué)性質(zhì);數(shù)值模擬

        中圖分類(lèi)號(hào):TD327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-5168(2019)04-0112-03

        Study on Roof Failure Height Based on Finite Element Numerical Simulation

        ——A Case Study of 15#Coal in Yangquan Mining Area

        XI Fengjia ZHANG Haitao SI Fengxia

        (School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University,Suzhou Anhui 234000)

        Abstract: The research on roof failure of 15# coal in Yangquan mining area can provide effective information for safe production of coal mine. The mechanical properties of 15# coal roof samples in the study area were experimentally studied. The mechanical parameters of different lithologic rocks in 15# coal roof were obtained. Then the failure height of 15# coal roof and its influence on the overlying old goaf water accumulation area were calculated by numerical simulation. The results showed that the strata above 15# coal were mainly K2 limestone and mudstone, and their shear strength was between 1.18 and 1.21MPa. Comprehensive numerical simulation results showed that when the average mining thickness of 15# coal mining area was 6.8m, the maximum height of overburden caving zone should be 31m, and the maximum height of water-conducting fracture zone should be 76m.

        Keywords: Yangquan;15# coal roof;rock mechanical properties;numerical simulation

        陽(yáng)泉礦區(qū)是國(guó)內(nèi)最大的無(wú)煙煤生產(chǎn)基地[1,2],主采煤層為15#、12#、3#煤層。煤層頂板穩(wěn)定性研究中,頂板巖層中各類(lèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)是相當(dāng)重要的組成部分?;诖?,本文以陽(yáng)泉地區(qū)15#煤頂板巖石為研究對(duì)象,在對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的常規(guī)物理性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)巖石樣本進(jìn)行單軸拉壓、壓縮變形等試驗(yàn),并計(jì)算出彈性模量及泊松比等力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù),再對(duì)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析,以期為陽(yáng)泉地區(qū)15#煤礦的開(kāi)采支護(hù)等提供相關(guān)信息。

        1 陽(yáng)泉礦區(qū)地質(zhì)概況

        陽(yáng)泉礦區(qū)位于山西省沁水盆地,走向長(zhǎng)156km,傾向?qū)?6km,面積約2 500km2[3,4]。該區(qū)含煤地層主要有山西組和太原組,所要研究的15#煤礦位于太原組,是礦區(qū)埋藏最深、厚度最大全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。15#煤層平均厚度為6.8m,由礦區(qū)含煤地層綜合柱狀圖可知,煤礦頂板巖石主要組成成分為K2灰?guī)r及泥巖。

        2 巖石力學(xué)試驗(yàn)及結(jié)果

        影響巖石穩(wěn)定性的因素一般有力學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)兩種,本文主要研究力學(xué)性質(zhì)并進(jìn)行試驗(yàn)分析,從而為礦區(qū)15#煤頂巖層的開(kāi)采穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)資料。巖石的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)通常包括抗剪試驗(yàn)、單軸拉壓試驗(yàn)和泊松比、彈性模量測(cè)定等[5]。最終試驗(yàn)得到的結(jié)果如表1所示。

        3 15#煤頂板破壞高度研究

        3.1 數(shù)值模型建立與參數(shù)選取

        在充分收集、分析礦區(qū)現(xiàn)有頂板破壞資料的基礎(chǔ)上,主要采用有限元程序模擬計(jì)算15#煤開(kāi)采頂板破壞高度及其對(duì)上覆老空積水區(qū)的影響。本模型為沿工作面走向的垂直剖面,邊界條件采用左、右邊界鉸支,底邊界固定的方式,上部施加相當(dāng)于上覆巖土層自重(10.6MPa)的補(bǔ)償荷載;簡(jiǎn)單建立的工程地質(zhì)物理模型,模型長(zhǎng)度450m,縱向最大尺寸60m。單元?jiǎng)澐忠运墓?jié)點(diǎn)等參元為主,單元形狀以矩形為主,加以少量退化三角形單元,共劃分單元3 665個(gè),節(jié)點(diǎn)11 024個(gè)。同時(shí),模擬所需的參數(shù)以表1為主。

        3.2 參數(shù)化模擬及結(jié)果分析

        3.2.1 采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律。此次數(shù)值模型主要討論開(kāi)采15#煤層平均厚度6.8m,推進(jìn)120m(走向)時(shí)巖體內(nèi)應(yīng)力、變形和位移情況。當(dāng)達(dá)到一定的采空時(shí),在拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力的共同作用下,煤層頂板發(fā)生由下向上逐步傳遞的開(kāi)裂、塌陷變形。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,當(dāng)開(kāi)采120m、采厚為6.8m時(shí),頂板巖層的下沉值最大為5.68m,隨著采厚的加大,這種差異慢慢減弱。水平方向的位移趨勢(shì)是對(duì)著采空區(qū)中心方向移動(dòng),采空區(qū)水平位移最大處在采空區(qū)兩側(cè)方向的地表。對(duì)于開(kāi)采120m、采厚6.8m時(shí),頂板巖層最大水平移動(dòng)值為1.49m。

        3.2.2 采場(chǎng)上覆巖層應(yīng)力變化特征。接下來(lái),專(zhuān)門(mén)研究推進(jìn)120m、采厚6.8m煤頂板上方巖層內(nèi)的最大剪應(yīng)力、主應(yīng)力及有效應(yīng)力分布特征,如圖1所示。通過(guò)分析可知,在采空區(qū)的外側(cè)上沿存在最大剪應(yīng)力為7.04MPa,采空區(qū)的外側(cè)下沿存在最小剪應(yīng)力為2.1MPa。有效應(yīng)力與剪應(yīng)力基本相同,所不同的是有效應(yīng)力最大為13.37MPa,最小為2.7MPa。開(kāi)采之后的最大主應(yīng)力大約在采空區(qū)外側(cè)兩邊向上45°。最大壓應(yīng)力為2.24MPa,最大拉應(yīng)力為5.38MPa;開(kāi)采之后的最小主應(yīng)力大約在采空區(qū)外側(cè)的兩邊,最大壓應(yīng)力19.47MPa,最大拉應(yīng)力0.28MPa。

        通過(guò)礦區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征的分析,并結(jié)合具體工作面的地質(zhì)采礦條件,經(jīng)數(shù)值模擬分析確定工作面15#煤層在采厚6.8m時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高為73m。

        綜合數(shù)值模擬分析結(jié)果可知,陽(yáng)泉礦區(qū)15#煤層在采厚為6.8m時(shí),覆巖層垮落帶的最大高度不得超過(guò)31m,導(dǎo)水裂隙帶的最大高度不得超過(guò)76m。分析鉆孔綜合柱狀圖可知,導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到最大高度時(shí)會(huì)到達(dá)8#煤層頂板,導(dǎo)通8#煤層至15#煤頂板間的各砂巖與灰?guī)r含水層。若先行開(kāi)采15#煤,會(huì)對(duì)8#煤與12#煤開(kāi)采造成影響;如果先行開(kāi)采8#煤與12#煤后再開(kāi)采15#煤,也可能造成15#煤工作面涌水量增大,建議詳查后再進(jìn)行設(shè)計(jì);對(duì)于3#煤層尚無(wú)構(gòu)成威脅。

        而在開(kāi)采過(guò)程中預(yù)測(cè)15#煤開(kāi)采涌水量仍然是必要的,若預(yù)測(cè)水量不大,設(shè)計(jì)與完善工作面防排水系統(tǒng)即可滿足安全生產(chǎn)需要;當(dāng)預(yù)測(cè)水量過(guò)大時(shí),應(yīng)該先對(duì)頂板水采取提前疏放的措施,防止發(fā)生涌水造成工程事故。

        4 結(jié)論

        在系統(tǒng)地對(duì)陽(yáng)泉地區(qū)15#煤頂板不同巖性巖石進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行參數(shù)化模擬計(jì)算,取得了如下結(jié)果。

        ①陽(yáng)泉地區(qū)15#煤開(kāi)采區(qū)域其頂板巖石主要由K2灰?guī)r及泥巖組成。

        ②頂板巖石抗剪強(qiáng)度為1.18~1.21MPa,抗拉強(qiáng)度為0.28~0.46MPa,泊松比為0.24~0.35,彈性模量為0.28~0.36。

        ③綜合數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式分析的結(jié)果,15#煤層開(kāi)采片區(qū)在平均采厚為6.8m時(shí),覆巖垮落帶高度的最大值應(yīng)取31m,導(dǎo)水裂隙帶高度的最大值取76m,而開(kāi)采涌水量需要另行計(jì)算。

        參考文獻(xiàn):

        [1]徐振永.沁水盆地晚古生代煤系層序地層及巖相古地理研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2007 (4):122-125.

        [2]李增學(xué),余繼峰.華北陸表海盆地海侵事件聚煤作用研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002 (3):1-5.

        [3]熊德國(guó),趙忠明,蘇承東,等.煤系地層巖石力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011(5):998-1006.

        [4]侯蘭杰.砂巖組構(gòu)與巖石力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的研究[J].綿陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2002(1):1-5.

        [5]朱國(guó)維,丁雯,武彩霞.華北煤田底板礦井水分布及突水機(jī)理淺析[J].中國(guó)煤炭,2008(2):9-11.

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