上行開采厚硬層間巖層移動變形數(shù)值模擬分析

楊 逾 唐 凱 梁鵬飛

(1.遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧 阜新123000;2.阜新市公路工程質量與安全監(jiān)督處，遼寧 阜新123000)

上行開采與層間巖層之間有著密切的聯(lián)系，層間巖層的破壞情況是判定上行開采可行性的重要依據(jù)，上行開采也會對層間巖層產(chǎn)生二次影響。因此，只有充分認識上行開采與層間巖層的相互影響關系，尤其是在特定巖層條件下，層間巖層的移動變形和破壞規(guī)律，才能夠更合理地對上部煤層進行開采，及時有效地采取相關措施，以保證上行開采的安全。大同礦區(qū)同家梁礦408 盤區(qū)12#煤層已開采完畢，現(xiàn)擬對其上部的8#煤層進行開采。深入研究2 個煤層之間層間巖層的移動變形規(guī)律以及破壞情況，對上行開采的安全進行具有重要意義。

1 模擬方案設計

1.1 工程背景

同家梁礦位于大同礦區(qū)向斜中段東南側，上行開采區(qū)域主要集中在同家梁礦的408 盤區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的主要可采煤層為12#煤層和8#煤層，均為水平煤層。12#煤層埋深為363.5 m，平均開采厚度為3.0 m，現(xiàn)已開采完畢;8#煤層埋深為287.2 m，煤層平均厚度為1.3 m，準備采用上行開采的方法進行開采。

1.2 層間巖層特征

同家梁礦12#煤層與8#煤層之間的層間巖層厚度為67.37 ～82.70 m，平均約為75 m，主要包括粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖和夾雜的少量黑色泥巖，詳見圖1。

圖1 8#煤層頂板及層間巖層綜合柱狀圖Fig.1 Integrated histogram of 8#coal seam roof and rock layers

根據(jù)各層巖層的物理力學性質分析可知，層間巖層多為堅硬或極堅硬巖層。極堅硬巖層在采煤過程中給礦井造成很多災害，煤炭開采后，煤層頂板大面積懸頂，當懸頂面積達到一定范圍之后，會突然垮落，破壞下面的生產(chǎn)設備，造成地面沉陷，甚至發(fā)生小型礦震。

1.3 模型建立

根據(jù)實際開采情況，確定模擬計算模型的尺寸為800 m×400 m×370 m，共分17 層，其中開采工作面的大小為500 m ×140 m，上行煤層開采工作面對齊布置。

模型的前后面和左右面均施加水平約束，底部邊界固定，頂部為自由邊界，對水平和豎直位移均不進行約束。整個模型進行重力加速度設置，用來模擬由于材料自重而產(chǎn)生的應力效果，各層煤巖體均采用摩爾－庫倫塑性模型進行模擬。層間巖層各層的物理力學參數(shù)見表1。

1.4 監(jiān)測點的布設

在模型中部分巖層及煤層中分別布置測線和相應的監(jiān)測點，沿模型的x 方向布設4 條測線，測線通過12#煤層采空區(qū)的中間位置，測線高度分別為30、50、70、81.5 m(8#煤層底板位置);測線每隔40 m 設置一個監(jiān)測點，每條測線上共21 個監(jiān)測點，詳見圖2。

表1 層間巖層物理力學參數(shù)Table 1 The mechanical parameters of rock strata between coal seams

圖2 測線布置圖Fig.2 Arrangement of the measured line

2 層間巖層移動變形模擬分析

2.1 豎向移動隨上行開采推進距離變化的規(guī)律

下煤層采空區(qū)頂板垮落重新壓實以后，上煤層才可以進行上行開采，所以上行開采過程產(chǎn)生的位移是下煤層開采產(chǎn)生位移的延續(xù)。8#煤層從x =150 m 位置開始推進，推進長度為500 m。分別對8#煤層推進10、50、100、200、300、400 和500 m 后的層間巖層豎向位移進行監(jiān)測記錄，根據(jù)各監(jiān)測點數(shù)據(jù)，整理后得到各測線監(jiān)測點隨推進距離而變化的豎向位移曲線，具體見圖3。

由圖3 分析可知，監(jiān)測點x =0 m 和x =80 m 位于12#煤層采空區(qū)對應位置的外部，隨著8#煤層的推進，這2 點的豎向位移逐漸增加;監(jiān)測點x=160 m 基本位于8#煤層工作面開切眼的正下方，其豎向位移隨8#煤層的推進而越來越小，呈回升的趨勢;監(jiān)測點x=240 m、x=320 m 和x=400 m 均位于8#煤層的推進方向，8#煤層開始推進后，豎向位移隨推進距離的增加而增大，但當推進位置接近監(jiān)測點后，監(jiān)測點的豎向位移開始減小，減小到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。

根據(jù)以上對各監(jiān)測點豎向位移數(shù)據(jù)的分析，可以總結出層間巖層豎向位移隨上行開采推進距離而變化的規(guī)律:上行開采過程中，位于上行開采推進位置后方對應的層間巖層，其豎向位移隨上行開采推進而逐漸增大;位于上行開采推進方向的層間巖層，其豎向位移先增大后減小。

圖3 層間巖層豎向位移隨8#煤層推進距離變化規(guī)律Fig.3 The variation of rock strata's vertical displacement with 8# coal seam's advance distance

2.2 豎向位移隨深度變化的規(guī)律

上行開采對層間巖層產(chǎn)生的影響與層間巖層的深度有直接聯(lián)系，根據(jù)上行開采前后層間巖層豎向位移的變化曲線，分析上行開采對層間巖層的豎向位移產(chǎn)生的影響。上行開采前后豎向位移變化曲線(變化值＞0，表示相對開采前的回彈量;變化值＜0，表示相對開采前的下沉量)見圖4。

由圖4 分析可知，上行開采對采空區(qū)對應位置外部的區(qū)域影響較小，上行開采后，此部分層間巖層產(chǎn)生少量下沉;而下部采空區(qū)對應位置的上方，層間巖層豎向位移變化較大，上行開采后，層間巖層的豎向位移與上行開采前相比有回升的趨勢，層間巖層的豎向位移變化量隨著深度的增加而逐漸減小。

2.3 層間巖層破壞情況隨深度變化的規(guī)律

圖4 上行開采前后層間巖層豎向位移變化曲線Fig.4 The vertical displacement curve of rock strata before and after ascending mining between coal seams

上行開采以后，層間巖層不僅僅是豎向位移發(fā)生了變化，其巖層結構和穩(wěn)定性也發(fā)生了變化，因此對開采前后層間巖層的塑性區(qū)域進行對比分析，從而分析上行開采對層間巖層產(chǎn)生的破壞影響。見圖5 ～圖8。

圖5 z=30 m 剖面上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.5 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=30 m section

由上各圖對比分析，z =30 m 剖面層間巖層在上行開采前已有大面積單元發(fā)生了破壞或正在發(fā)生破壞，上行開采后，塑性單元并沒有明顯增加;z =50 m剖面層間巖層在上行開采前只有部分單元受到破壞，且零散分布，上行開采后，破壞單元明顯增加，且破壞單元成片分布;z=70 m 剖面層間巖層上行開采前未發(fā)生明顯破壞，上行開采后出現(xiàn)大面積破壞區(qū)域;8#煤層底板在上行開采前未發(fā)生明顯破壞，但上行開采后，8#煤層底板全部被破壞。

圖6 z=50 m 剖面上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.6 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=50 m section

圖7 z=70 m 剖面上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.7 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=70 m section

圖8 8#煤層底板上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.8 The variation of plastic zone before and after ascending mining at 8# coal seam floor

根據(jù)以上分析可知，層間巖層在上行開采后又發(fā)生了二次破壞，破壞程度隨巖層深度的增加而逐漸減小，當層間巖層足夠厚時，下部的層間巖層將不會受到上行開采的影響。

3 結 論

(1)與采空區(qū)位置相對應的厚硬層間巖層豎向位移隨推進距離的增加而先增大后減小;上行開采完畢后，該區(qū)域層間巖層的豎向位移相比開采前有少量回彈，回彈量隨層間巖層的深度增加而逐漸減小;對應在采空區(qū)位置之外的層間巖層受上行開采影響較小。

(2)上行開采對層間巖層造成了二次破壞，破壞程度隨層間巖層的深度增加而逐漸減小。因此，足夠的層間巖層厚度是上行開采安全進行的必要條件之一。

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