顧鐵鳳

(太原理工大學(xué)理學(xué)院工程力學(xué)系,山西太原 030024)

房采采空區(qū)上方近距煤層反程序開(kāi)采數(shù)值仿真

顧鐵鳳

(太原理工大學(xué)理學(xué)院工程力學(xué)系,山西太原 030024)

基于神東礦區(qū)寸草塔礦的近距煤層賦存條件,應(yīng)用ANSYS仿真方法研究以往房采采空區(qū)上方的近距煤層反程序開(kāi)采的可行性。其主要結(jié)論是：(1)下部 2-2上煤房柱開(kāi)采后,留設(shè) 6m煤柱穩(wěn)定,其頂板穩(wěn)定未垮落; (2)2-1中煤層可用反程序長(zhǎng)壁開(kāi)采; (3)2-1中煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采時(shí),底板保持穩(wěn)定;(4)2-1煤層開(kāi)采時(shí),地表最大下沉 613mm,最大水平移動(dòng) 13.6mm。數(shù)值仿真研究成果證明,在 2-2上房采煤柱采空區(qū)上方反程序開(kāi)采 2-1中煤層是安全可行的。

房采采空區(qū);近距煤層;反程序開(kāi)采;頂 (底)板穩(wěn)定性;數(shù)值仿真

近距煤層群反程序開(kāi)采研究,已有很多成果[1-6],至于極近距 (7～16m)較薄 (1～1.3m)煤層房采采空區(qū)上方反程序開(kāi)采,則研究不多[7]。神東礦區(qū)寸草塔煤礦,生產(chǎn)初期以開(kāi)采 2組煤為主。2組煤從上至下為 2-1中、2-2上和 2-2中煤層。在寸草塔礦建井初期,因資金缺乏,未購(gòu)置綜采設(shè)備,用簡(jiǎn)易的房柱開(kāi)采法開(kāi)發(fā)煤質(zhì)優(yōu)良的 2-2上煤層,未采上部 2-1中煤層,形成呆滯資源。歸入神華集團(tuán)后,煤炭資源需求日益增加,加之煤炭資源日益枯竭,為延長(zhǎng)礦井年限,充分利用寸草塔煤礦有限的煤炭?jī)?chǔ)量,為此研究安全地開(kāi)采上部2-1中煤層的方式,已經(jīng)提到重要的議事日程。因此,研究寸草塔礦房柱開(kāi)采采空區(qū)上方極近距離薄煤層群的反程序 (上行)開(kāi)采的可行性和安全性,將有重要的工程實(shí)用價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。

1 寸草塔礦 2-1中和 2-2上煤層開(kāi)采的工程背景

寸草塔煤礦 2-2上煤厚度 1.27m,直接頂為厚度 3.42m的白色粉砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),層狀構(gòu)造;基本頂為厚度 3.56m的深灰色泥質(zhì)粉砂巖,塊狀構(gòu)造;直接底為泥質(zhì)頁(yè)巖。2-1中煤層厚度1.07m,與 2-2上煤層間距變化在 6.6～25.81m,平均間距 16m左右;煤層傾角變化在 1～30°,采深 51～312m,平均 182m。2-1中煤層直接頂為厚度 3.22m的深灰色泥質(zhì)粉砂巖,塊狀構(gòu)造;基本頂為厚度 38.4m的灰綠色細(xì)砂巖;直接底板與 2-2上煤層頂板相同。

計(jì)劃在 2-1中煤層采用走向長(zhǎng)壁開(kāi)采方法,布置 240 m綜采工作面實(shí)施開(kāi)采,進(jìn)行數(shù)值仿真模擬的目的是論證反程序開(kāi)采的科學(xué)性以及安全可靠性,指導(dǎo)實(shí)際工程決策。

2 寸草塔礦反程序開(kāi)采的數(shù)值仿真方案設(shè)計(jì)

2.1 反程序開(kāi)采仿真方案設(shè)計(jì)

寸草塔礦反程序開(kāi)采的仿真模擬屬于 3-D非線性問(wèn)題[8],計(jì)算采用 ANSYS10.0通用程序,使用 Solid95單元模式劃分研究區(qū)域,模擬巖石和煤層。假設(shè)場(chǎng)地內(nèi)無(wú)構(gòu)造影響,原巖地應(yīng)力為自重應(yīng)力場(chǎng),選取工作面中部斷面為計(jì)算的主剖面。

寸草塔礦煤層近水平,仿真分析模型構(gòu)建時(shí),可視為水平煤層。根據(jù)開(kāi)采煤層地質(zhì)柱狀實(shí)際情況,建立計(jì)算模型。模型中共有 9層,自下而上的巖層結(jié)構(gòu)為粉砂巖、2-2上煤層、泥質(zhì)粉砂巖、煤線、粉砂巖、2-2中煤、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖,最后為厚層的風(fēng)積沙覆蓋層。開(kāi)采的煤層 2層,分別是 2-1中和 2-2上,開(kāi)采順序?yàn)榉闯绦?(上行)開(kāi)采,即先采下面的 2-2上煤,再采上面相距 16m的 2-1中煤層,下層房柱開(kāi)采,上層長(zhǎng)壁綜采。

依據(jù)采場(chǎng)覆巖斷裂運(yùn)動(dòng)的 “關(guān)鍵層理論”[9],仿真模型的范圍選擇,應(yīng)考慮工作面開(kāi)采上、下巖層的相互影響范圍,以及工作面推進(jìn)方向上應(yīng)有足夠的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距次數(shù)的限制,此外還應(yīng)保證工作面的推進(jìn)距離應(yīng)能達(dá)到充分采動(dòng),推進(jìn)方向消除模型邊界的影響。為此,模型在工作面推進(jìn) (X)方向上取 120m,在工作面長(zhǎng)度方向 (Y)上取 60m,在開(kāi)采深度方向上 (Z)考慮覆蓋層全厚,即取為 185.8m。為消除仿真模型邊界效應(yīng)的影響,初采位置選在距離邊界 15m的位置。

在仿真計(jì)算時(shí),綜合權(quán)衡微機(jī)容量、耗時(shí)、計(jì)算精度和關(guān)注的煤巖層區(qū)域等因素,單元基本尺寸4m×4m×4m。在開(kāi)采重點(diǎn)關(guān)注的塑性破壞范圍,做了劃分單元的細(xì)化處理,模型劃分單元 11396個(gè),節(jié)點(diǎn) 70559個(gè)。

2.2 模擬巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的選取

模型中煤、巖層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果選定,如表 1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)

2.3 模型初始邊界的選擇

由文獻(xiàn) [8],仿真模擬時(shí)采用正交坐標(biāo)系,原點(diǎn)選在模型底面長(zhǎng)度和寬度的中線相交點(diǎn)處。模型的初始邊界選擇為：

(1)模型平行于工作面推進(jìn)方向的兩側(cè)邊界(X向)和與之垂直的工作面長(zhǎng)度方向兩側(cè) (Y向),施加與深度相關(guān)的水平應(yīng)力 (式 (2)),即

(2)模型高度方向 (Z向)的底部邊界其水平、垂直初始位移為零,即

巖體自重應(yīng)力σz按下式計(jì)算

式中,γi為覆巖體積力,KN/m3;hi為覆巖厚度,m。

前、后和左、右側(cè)面,在水平方向施加由自重應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力,如式 (2)：

式中,λ為側(cè)壓系數(shù),λ =μ/(1-μ);μ為巖石的泊松比。

2.4 地表位移監(jiān)測(cè)路徑和開(kāi)挖方案擬定

為研究煤層開(kāi)采對(duì)巖層移動(dòng)的影響,觀測(cè) Z=30m的垂直剖面各巖層的變形情況,清楚顯示 2-2上煤層房柱開(kāi)采和 2-1中煤長(zhǎng)壁開(kāi)采后,地表水平變形和下沉變形的規(guī)律,在計(jì)算區(qū)域內(nèi)建立沿地表分布的監(jiān)測(cè)路徑,顯示地表各點(diǎn)橫向和豎向的位移變化。

開(kāi)挖仿真方案,應(yīng)結(jié)合實(shí)際開(kāi)采工藝和順序確定。在寸草塔礦實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,首先開(kāi)采下層 2-2上煤,再開(kāi)采上層 2-1中煤。下層 2-2上煤層,采用房柱開(kāi)采方法,采 6m留 6m,即采出煤房寬度 6m,煤柱寬度 6m,形成 6m房 -柱相間的最終格局。為此,依據(jù)仿真模型工作面參數(shù),2-2上煤開(kāi)采結(jié)束后,將會(huì)形成 8個(gè)煤房和 7個(gè)煤柱 (含邊界煤柱為 9個(gè)煤柱)。仿真分析時(shí),按照每次開(kāi)采2個(gè)煤房的模式進(jìn)行,如此采完下部煤層,需要實(shí)施 4個(gè)開(kāi)采步。而對(duì)上層 2-1中煤層,采用綜采開(kāi)采時(shí),按照切眼寬度 10m,其余每次開(kāi)采 12m進(jìn)度的模式進(jìn)行,以便節(jié)省模擬時(shí)間,如此需要實(shí)施8個(gè)開(kāi)采步。

仿真分 12個(gè)開(kāi)采步驟,即為 12步開(kāi)挖。采礦是由下而上逐步分水平進(jìn)行,計(jì)算方案如表 2。在此,先實(shí)施下層 2-2上煤的房柱開(kāi)采各步,即 1～4開(kāi)采步;在此基礎(chǔ)上再實(shí)施上層 2-1中煤層的長(zhǎng)壁開(kāi)采模擬,即 5～12開(kāi)采步。

表2 反程序開(kāi)采仿真方案

2.5 仿真模擬的步驟

采礦過(guò)程中,煤巖層的變形與破壞實(shí)質(zhì)上是開(kāi)采的力學(xué)等效響應(yīng)。為此,主要應(yīng)該仿真模擬出開(kāi)采的影響,適用于內(nèi)加載模擬情形。在仿真時(shí),第1步要計(jì)算因自重引起的原巖應(yīng)力場(chǎng)和自重作用下的初始位移。繼續(xù)開(kāi)采時(shí),仿真所得位移是累加了初始位移的數(shù)值。為了科學(xué)合理地模擬寸草塔礦采空區(qū)上極近距薄煤層的反程序開(kāi)采的應(yīng)力和位移分布情況,開(kāi)采過(guò)程分為 2步進(jìn)行,并在這 2個(gè)大步中又依據(jù)表 2的情況,分為多個(gè)子步。具體來(lái)講,即 2-2上煤開(kāi)采的第 1大步,分為 4個(gè)子步;2-1中煤開(kāi)采第 2大步,分為 8個(gè)子步。

步驟 1：計(jì)算自重影響的各節(jié)點(diǎn)位移及各單元的初始應(yīng)力。

步驟 2：以第 1步為基礎(chǔ),計(jì)算煤層開(kāi)采后單元應(yīng)力和各節(jié)點(diǎn)變形,得出消除初始位移的開(kāi)采變形。

3 2-2上層開(kāi)采后煤柱和頂板穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

3.1 2-2上煤層房柱開(kāi)采應(yīng)力變化規(guī)律

圖1為房柱開(kāi)采 3～4步后垂直應(yīng)力分布圖。由圖可見(jiàn),開(kāi)采邊界煤柱和支撐煤柱上,煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)非均勻分布,應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯。在支撐煤柱的邊緣出現(xiàn)較大的集中應(yīng)力數(shù)值,為原巖(自重)應(yīng)力的 2～4倍,仿真結(jié)果符合房柱開(kāi)采支撐煤柱的集中應(yīng)力分布規(guī)律[9]。在考慮房柱開(kāi)采具有合理的采出率和安全的頂板控制條件下,通過(guò)設(shè)計(jì)安全的采留比參數(shù),即可借助支撐煤柱的穩(wěn)定和支撐作用來(lái)確保采空區(qū)頂板的變形穩(wěn)定,創(chuàng)造反程序 (上行)開(kāi)采的條件。

圖1 2-2上煤層房柱開(kāi)采 4步的垂直應(yīng)力

房柱開(kāi)采后,邊界煤柱和隔離煤柱變?yōu)椴煽諈^(qū)的支撐體系,類(lèi)似于房柱采場(chǎng)采空區(qū)的支架,在這些煤柱上產(chǎn)生集中應(yīng)力,峰值應(yīng)力為 6.4MPa。該值低于煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度 (13.1MPa),約為實(shí)際強(qiáng)度的 1/2。因此,房柱開(kāi)采留設(shè) 6m支撐煤柱能保持穩(wěn)定,不會(huì)破壞。若用煤柱的三軸強(qiáng)度評(píng)價(jià),則更加安全。

此外,2-2上煤層頂板 (2-1中煤底板)的采動(dòng)應(yīng)力,同樣小于其破壞強(qiáng)度,為此同樣也能保持穩(wěn)定。

從 2-2上煤層房柱開(kāi)采后,支撐煤柱和頂板的穩(wěn)定性看,均保持完整的狀況,可以實(shí)現(xiàn) 2-1中煤反程序長(zhǎng)壁開(kāi)采的安全控制。

3.2 2-2上煤層房柱開(kāi)采圍巖變形規(guī)律

圖2為房柱開(kāi)采后覆巖垂直位移分布情況。據(jù)圖可見(jiàn),2-2上煤房柱開(kāi)采后,留設(shè)寬度 6m的煤柱支撐頂板,直接頂和基本頂均處于懸頂或彎沉狀態(tài),2-2上煤層頂板活動(dòng)不明顯,頂板壓力主要由煤柱來(lái)承擔(dān),房柱開(kāi)采后頂板最大下沉量?jī)H有 135～157mm,而且基本呈現(xiàn)均勻整體下沉的方式,頂板的完整結(jié)構(gòu)并未破壞。因 2-2上煤層采高1.27m,其頂板下沉量約為采高的 11%,可知頂板處于穩(wěn)定的情況,對(duì)房柱采空區(qū)上方 2-1中煤層反程序長(zhǎng)壁開(kāi)采非常有利。

圖2 2-2上煤層房柱開(kāi)采 4步的垂直位移

3.3 2-2上煤層房柱開(kāi)采地表變形規(guī)律

圖3為 2-2上煤層房柱開(kāi)采結(jié)束后,地表變形移動(dòng)的仿真分析成果。由此可知,地表水平變形較小,為 0.349～6.875mm,下沉量為 202～215mm,約為采高的 17%,即 2-2上煤層房柱開(kāi)采后地表下沉系數(shù)為 0.17。

4 2-1中煤層開(kāi)采圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律仿真分析

4.1 房采煤柱 -采空區(qū)上方 2-1中煤開(kāi)采應(yīng)力變化規(guī)律

圖4為長(zhǎng)壁開(kāi)采后垂直應(yīng)力分布情況。依據(jù)不同模擬時(shí)步的模擬情況來(lái)看,隨著長(zhǎng)壁工作面推進(jìn)距離加大,煤壁前方的支承壓力逐漸升高,頂板巖層內(nèi)水平應(yīng)力由壓應(yīng)力減小而逐漸過(guò)渡為拉應(yīng)力,導(dǎo)致頂板斷裂垮落,從而造成采場(chǎng)頂板的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓等,使支架載荷顯著增加;位于采空區(qū)的頂、底板巖層內(nèi)垂直應(yīng)力降低,產(chǎn)生離層。切眼側(cè)開(kāi)采邊界同樣產(chǎn)生明顯的集中應(yīng)力,最大集中應(yīng)力為 16～18MPa,其為原巖應(yīng)力的 4倍左右,超過(guò)煤層強(qiáng)度,邊界煤柱邊緣部分破壞,隨后集中應(yīng)力向煤柱深部轉(zhuǎn)移,靠近采空區(qū)邊緣部分煤柱進(jìn)入塑性狀態(tài),形成新的應(yīng)力平衡。

圖3 2-2上煤房柱開(kāi)采 3～4步的地表移動(dòng)曲線

圖4 2-1中煤長(zhǎng)壁開(kāi)采 12步的垂直應(yīng)力

2-1中煤長(zhǎng)壁開(kāi)采的仿真過(guò)程表明：整個(gè)開(kāi)采推進(jìn)階段,采場(chǎng)底板的應(yīng)力分布均低于本身強(qiáng)度(30.2～42.6MPa),保持穩(wěn)定,無(wú)明顯的斷裂沉陷現(xiàn)象,沒(méi)影響 2-1中煤的正常安全開(kāi)采,因此,進(jìn)一步印證了前期下煤層 (2-2上)房柱開(kāi)采后頂板穩(wěn)定的評(píng)價(jià)結(jié)果,是合理科學(xué)的。

4.2 房采煤柱 -采空區(qū)上方 2-1中開(kāi)采圍巖變形規(guī)律

圖5為 2-1中煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采后覆巖垂直位移分布情況。從圖可見(jiàn),采場(chǎng)頂、底板有向采空區(qū)方向的位移,2-1中煤層頂板活動(dòng)范圍明顯增加,頂板下沉量明顯加大,頂板最大下沉量為 194～264mm,頂板垮落充分,已經(jīng)充滿采空區(qū)。因 2-1中煤層采高 1.07m,其頂板下沉量約為采高的18.1%～26.4%.

圖5 2-1中煤長(zhǎng)壁開(kāi)采 12步的垂直位移

4.3 房采煤柱 -采空區(qū)上方 2-1中開(kāi)采地表變形規(guī)律圖 6為長(zhǎng)壁開(kāi)采后地表變形變化情形。

圖6 2-1中煤長(zhǎng)壁開(kāi)采 12步的地表移動(dòng)曲線

由圖可知,地表下沉盆地發(fā)生較大移動(dòng),水平變形最大 13.6mm,垂直變形 59～613mm,采空區(qū)的最大垂直下沉發(fā)生在采空區(qū)正對(duì)地表的中點(diǎn)處,最大下沉為 613mm,與相似模擬實(shí)驗(yàn)最大下沉量558mm基本相當(dāng),下沉系數(shù)為 0.57,沉降變形向兩側(cè)逐漸減少的變化趨勢(shì)與實(shí)際也是一致的。由此說(shuō)明采用ANSYS有限元程序模擬寸草塔礦房采采空區(qū)上方近距煤層反程序開(kāi)采的研究成果科學(xué)可信。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用 ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)寸草塔礦 2-2上煤層房采采空區(qū)上方近距煤層 (2-1中)反程序開(kāi)采問(wèn)題,做了仿真研究,得出下層 2-2上煤房柱開(kāi)采后,煤柱穩(wěn)定,能保持頂板的完整性,可以實(shí)施2-1中煤的反程序開(kāi)采;2-1中煤長(zhǎng)壁開(kāi)采過(guò)程中,底板穩(wěn)定,不影響正常安全開(kāi)采。

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[3]何國(guó)清,楊 倫,凌賡娣,等 .礦山開(kāi)采沉陷學(xué) [M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1991.

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Numerical Simulation of Upward Mining Coal Seam Near over Gob Left by Room and Pillar Mining

GU Tie-feng
(Engineering Mechanical Department of Science School,Taiyuan University of Science&Technology,Taiyuan 030024,China)

ANSYS was applied to researching the feasibility of upward mining coal seam near over gob left by room and pillar mining based on coal-seam occurrence condition of Cuncaota Colliery in Shendong mining field.Main results were list as follows.(1)6m coal pillar and its roof kept stable after lower 2-2-upper coal seam was mined by room and pillar mining method;(2)2-1-middle coal seam might be mined by upward mining method;(3)floor of 2-1-middle coal seam kept stable by long wall mining method;(4)in 2-1-middle coal seam mining,maximum surface subsidence was 613mm,maximum horizontal movement was 13.6mm.The results showed that upward mining coal seam near over gob left by room and pillar mining was safe and feasible.

gob left by room and pillar mining;close coal seams;upward mining;stability of roof(floor);numerical simulation

TD823.81

A

1006-6225(2011)01-0032-04

2010-10-18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAD29B02);山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(200631118-02);山西省自然科學(xué)基金(200601047)聯(lián)合資助

顧鐵鳳 (1961-),女,遼寧北鎮(zhèn)人,碩士,副教授,從事工程力學(xué)的教學(xué)科研工作。