不同層數(shù)采空區(qū)巖層移動(dòng)變形特征對(duì)比分析

張 元，武 劍

（1.晉城煤業(yè)集團(tuán)古書院礦，山西 晉城 048000；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

不同層數(shù)采空區(qū)巖層移動(dòng)變形特征對(duì)比分析

張 元1，武 劍2

（1.晉城煤業(yè)集團(tuán)古書院礦，山西 晉城 048000；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

通過不同層數(shù)采空區(qū)條件下巖層移動(dòng)變形特征的對(duì)比分析，為今后進(jìn)一步分析采空區(qū)巖層移動(dòng)對(duì)井筒破壞的影響奠定基礎(chǔ)，為穿越采空區(qū)井筒的合理布置提供一個(gè)定性的指標(biāo)。

巖層；移動(dòng)變形；對(duì)比；分析

1 引言

近年來，隨著我國淺部可開發(fā)煤炭資源的不斷減少，深部煤炭資源的開采已成為今后我國煤炭行業(yè)的重要任務(wù)。而許多地區(qū)深部煤層的開發(fā)，面臨著淺部煤層采空區(qū)帶來的一系列理論和技術(shù)問題。為確定合理布置穿越采空區(qū)井筒的位置，本文運(yùn)用ANSYS模擬軟件對(duì)不同層數(shù)采空區(qū)條件下巖層移動(dòng)變形特征做一個(gè)初步探討，為穿越采空區(qū)井筒的合理布置提供一個(gè)定性指標(biāo)。

2 單層采空區(qū)巖層移動(dòng)變形特征分析

變形穩(wěn)定的采空區(qū)對(duì)井筒穩(wěn)定性無大的影響，但尚未穩(wěn)定的采空區(qū)后續(xù)變形對(duì)井筒的穩(wěn)定性的影響是必須掌握的。因此，以下對(duì)尚未穩(wěn)定的采空區(qū)變形特征進(jìn)行分析，以進(jìn)一步分析其對(duì)井筒穩(wěn)定性影響的特征機(jī)理。

分析目的：掌握未穩(wěn)定單層采空區(qū)巖層移動(dòng)特征，包括應(yīng)力分布特征、變形分布特征，以確定采空區(qū)的存在可能對(duì)井筒穩(wěn)定性造成的影響。

分析模型：長(zhǎng)度150m，其中，實(shí)體煤部分80m，采空區(qū)部分70m；高度50m，采高6m，頂板巖層已發(fā)生垮落，但巖層移動(dòng)尚未穩(wěn)定，見圖1。

模型離散：模型共劃分15 505個(gè)單元，設(shè)置46925個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，兩側(cè)邊界水平0位移約束；模型施加重力載荷并在上邊界施加均布載荷。

主要分析指標(biāo)：采空區(qū)巖層進(jìn)一步移動(dòng)變形所產(chǎn)生的剪應(yīng)力以及不均勻性變形是模擬研究需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

分析方法：采用ANSYS有限元軟件[1]，巖層材料力學(xué)模式為大變形模式。

圖1 幾何模型

圖2 距離采空區(qū)30m時(shí)位移沿鉛錘方向分布曲線

圖3 距離采空區(qū)30m時(shí)應(yīng)力沿鉛垂方向分布曲線

結(jié)果表明：存在單層采空區(qū)時(shí)，實(shí)體煤內(nèi)部15 m至采空區(qū)內(nèi)部25m的范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的巖層水平位移較明顯。模型中最大水平位移達(dá)25 cm，發(fā)生在采空區(qū)上方頂板巖層，最大水平位移點(diǎn)和煤壁的連線與水平線夾角約70°。表明垂直位移在進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)25m后達(dá)到最大值約1.3m，并趨于穩(wěn)定。

圖2和圖3為距離采空區(qū)30m處位移、應(yīng)力沿鉛垂方向的變化規(guī)律。從中可以看出明顯支承壓力集中現(xiàn)象（最大縱向應(yīng)力達(dá)19MPa，高于自重應(yīng)力約13MPa），采空區(qū)對(duì)應(yīng)高度區(qū)間，水平應(yīng)力分布曲線中出現(xiàn)草帽狀。

圖4 距離采空區(qū)10m時(shí)位移沿鉛垂方向分布曲線

圖5 距離采空區(qū)10m時(shí)應(yīng)力沿鉛垂方向分布曲線

圖4和圖5為距離采空區(qū)10m處位移、應(yīng)力沿鉛垂方向的變化規(guī)律。從中可以看出，與距離采空區(qū)30m處相比，各曲線變化趨勢(shì)相似，但支承壓力集中現(xiàn)象更加明顯，最大縱向應(yīng)力達(dá)34MPa，高于自重應(yīng)力約28MPa，即應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)5以上。

圖6和圖7為采空區(qū)邊界處位移、應(yīng)力沿鉛垂方向的變化規(guī)律。從中可以看出，與實(shí)體煤中相比，此處應(yīng)力和位移變化最為劇烈，支承壓力集中程度最高，最大縱向應(yīng)力達(dá)60MPa以上，高于自重應(yīng)力約55MPa，即應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)10以上。

3 雙層采空區(qū)巖層移動(dòng)變形特征分析

分析目的：掌握未穩(wěn)定雙層采空區(qū)巖層移動(dòng)特征，包括應(yīng)力分布特征、變形分布特征，以確定雙層采空區(qū)的存在可能對(duì)井筒穩(wěn)定性造成的影響。

分析模型：長(zhǎng)度160m，其中，實(shí)體煤部分80m，采空區(qū)部分80m；高度188m，模型中包含兩層采空區(qū)，兩層采空區(qū)被采煤層層間距46m，上層為刀柱式開采形成，埋深105m，下層為長(zhǎng)壁式開采形成，埋深158m。上層采空區(qū)采高1.5m，頂板巖層由煤柱支撐，未發(fā)生垮落，但巖層移動(dòng)尚未穩(wěn)定；下層采空區(qū)采高6m，頂板巖層已發(fā)生垮落，但巖層移動(dòng)尚未穩(wěn)定。

圖6 采空區(qū)邊界處位移沿鉛垂方向分布曲線

圖7 采空區(qū)邊界處應(yīng)力沿鉛垂方向分布曲線

模型離散：模型共劃分8282個(gè)單元，設(shè)置25861個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，兩側(cè)邊界水平0位移約束；模型施加重力載荷，上邊界無約束及載荷。

主要分析指標(biāo)：采空區(qū)巖層進(jìn)一步移動(dòng)變形所產(chǎn)生的剪應(yīng)力以及不均勻性變形是模擬研究需重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

分析方法：采用ANSYS有限元軟件，巖層材料力學(xué)模式為大變形模式[2]。

和單層采空區(qū)結(jié)果相應(yīng)分析對(duì)比得出：存在雙層采空區(qū)時(shí)，兩層采空區(qū)的影響產(chǎn)程疊加效應(yīng)。巖層中水平應(yīng)力存在著明顯的不均勻性，采空區(qū)各尖角部位存在著較強(qiáng)的壓應(yīng)力集中區(qū)，下層采空區(qū)周圍的礦壓顯現(xiàn)明顯強(qiáng)于上層采空區(qū)。下層采空區(qū)邊界上方巖層中有明顯的水平拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力達(dá)4MPa以上，是采空區(qū)頂板巖層斷裂垮落的主要原因之一。鉛垂應(yīng)力在采空區(qū)邊界處各煤壁中存在著較強(qiáng)的壓應(yīng)力集中區(qū)，下層采空區(qū)邊界煤壁中的壓應(yīng)力集中程度較高，達(dá)11MPa以上，是采空區(qū)煤柱破壞的主要原因之一。在下層采空區(qū)邊界處頂板巖層中的剪應(yīng)力值最大，達(dá)5MPa以上，是采空區(qū)頂板巖層破壞的主要原因之一。

4 結(jié)論

綜合以上關(guān)于層數(shù)不同采空區(qū)對(duì)巖層移動(dòng)變形的影響，可得如下主要結(jié)論：

1）存在雙層采空區(qū)時(shí)，兩層采空區(qū)的影響產(chǎn)程疊加效應(yīng)。巖層中水平應(yīng)力存在著明顯的不均勻性，采空區(qū)各尖角部位存在著較強(qiáng)的壓應(yīng)力集中區(qū)，下層采空區(qū)周圍的礦壓顯現(xiàn)明顯強(qiáng)于上層采空區(qū)。

2）實(shí)體煤中0～15m的范圍以及采空區(qū)中0-25 m的范圍水平位移較大，剪應(yīng)力值也較大且分布不均勻，縱向應(yīng)力存在明顯分布不均現(xiàn)象，是采空區(qū)影響最為劇烈的范圍。

[1]劉 濤，楊風(fēng)鵬.精通ANSYS[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[2]趙陽升.有限元法及其在采礦工程中的應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1994.

Contrast Analysis on Gob Rock M ovement and Deformation through Different Layers

ZHANG Yuan1,WU Jian2

(1.Gushuyuan Mine,Jincheng Coal Group,Jincheng Shanxi048000;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

Contrast analysis on rock movement and deformation in different gobs laid the foundation for further study on the influence of gob rock movement on shaft damage and provided qualitative indicator for the rational distribution of shafts in gobs.

rock;movement and deformation;contrast;analysis

TD325.2

A

1672-5050（2011）10-0039-03

2011-04-16

張 元（1984—），男，山西晉城人，本科，助理工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)工作。

徐樹文