某礦上行開采的數(shù)值模擬分析

亢燕卿

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某礦上行開采的數(shù)值模擬分析

亢燕卿

摘要某礦408盤區(qū)12#煤層已開采完畢，而8#煤層仍賦存有煤量。為避免8#煤炭資源永久性損失，采用數(shù)值模擬對上行開采8#煤層的可行性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：12#煤層開采后上覆巖層垮落帶高度為12 m～15 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為65 m～80 m。結(jié)合理論分析和物探分析結(jié)果表明某礦上行開采8#煤層可行。

關(guān)鍵詞上行開采；導(dǎo)水裂隙帶；垮落帶

1　引言

由于歷史和地質(zhì)條件復(fù)雜等原因，自然資源開采型的老礦井采空區(qū)上方遺棄有大量可采價值的煤炭。隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，采用上行開采技術(shù)回采采空區(qū)上方遺棄的煤炭資源成為解決資源短缺問題的一個有效方法[1-6]。某礦408盤區(qū)和410盤區(qū)12#煤層之上的8#煤層上行開采煤量總和為165.9萬t。目前，本盤區(qū)12#煤層已開采完畢，為避免8#煤層煤炭資源的永久性損失，本文采用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件模擬了在12#煤層開采以后的覆巖破壞高度以及對上部8#煤層的破壞及影響程度，并通過大地電磁測探資料驗證模擬結(jié)果的正確性，得出了該礦8#煤層采用上行開采的方法是可行的。

2　地質(zhì)概況

某礦408盤區(qū)12#煤層傾角為0°～3°，屬于近水平煤層，使用長壁式全部垮落采煤方法進(jìn)行開采，最大采高為3.3 m。鉆孔資料表明，8#煤層與12#煤層的層間距最小為83 m，最大為95.55 m，平均層間距為85 m。

3　12#煤層覆巖破壞高度的確定

3.1覆巖破壞高度的數(shù)值分析

數(shù)值模擬采用ANSYS軟件的D-P屈服準(zhǔn)則，在π平面上為圓形，在主應(yīng)力空間的屈服面為光滑圓錐，表述極其簡單且數(shù)值計算效率很高，在實際有限元計算中獲得比較廣泛的應(yīng)用。

3.1.1模型建立

根據(jù)地質(zhì)資料，12#煤層平均埋深為330 m，8號煤層埋深為245 m，8#煤層與12#煤層的覆巖平均厚度為85 m。12#煤煤層平均開采厚度為2.8 m，8#煤層平均厚度為1.3 m，該礦煤層傾角較小，屬于近水平煤層，在數(shù)值模擬計算時，按水平煤層考慮。現(xiàn)礦井主要以綜合機械化開采工藝為主，工作面為單一長壁全部垮落法。為了簡化計算，采用平面應(yīng)變模型。根據(jù)以上參數(shù)建立模型，模型高度100 m，寬度450 m，A1面為8號煤層工作面，A16面為12號煤層層工作面，見圖1。

圖1計算模型

3.1.2煤（巖）體物理力學(xué)參數(shù)

室內(nèi)試驗獲得某礦12#煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1巖層物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表2巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.1.3邊界條件

上邊界施加上覆巖層自重，下邊界施加x方向和y方向的位移約束，左右邊界施加x方向約束。上覆巖層自重大小q與上覆巖層的巖性和埋藏深度有關(guān)，即q=γH，其中γ為上覆巖層平均容重，H為埋深，計算得q=7 MPa。見圖2。

3.1.4數(shù)值模擬結(jié)果分析

12#煤層開采結(jié)束以后，各巖層水平方向應(yīng)力、豎直方向應(yīng)力、水平方向位移、豎直方向位移見圖3所示。

圖2邊界條件

12#煤層開采以后，煤層頂板受到水平方向拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力為7.67 MPa，推斷12#煤層上方紅色區(qū)域為垮落帶，垮落帶高度約為12 m～15 m。采空區(qū)正上方中間位置巖層承受水平壓應(yīng)力，最大水平壓應(yīng)力為13 MPa，向兩側(cè)逐漸減小；開采邊界處及相鄰?fù)鈧?cè)一定區(qū)域承受拉應(yīng)力。12#煤層開采后，8#煤層承受的水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力均比較均衡，推斷8#煤層未破壞或破壞程度很小。

圖3 12#煤層開采后覆巖應(yīng)力和位移分布圖

由圖3（c）和3（d）可知，12#煤層上方巖層水平位移均較小，豎向位置全區(qū)成盆地狀分布，推斷12#煤層開采后，上覆巖層破壞高度約為65 m～80 m。8#煤層所在位置水平位移及豎向位移均勻，最大水平位移為25 cm，最大豎向位移為42 cm，變形連續(xù)，說明8#煤層在12#煤層開采后仍保持整體性，并未發(fā)生橫向及豎向錯動。

3.2“三帶”高度的理論計算

某礦12#煤層頂板為堅硬的中、粗砂巖，開采厚度為2.6 m～3.3 m，基本呈西南薄東北厚分布，開采方法為緩傾斜長壁綜采，強制放頂，煤層傾角為0°～3°。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，12#煤層開采后形成的垮落帶和裂隙帶的最大高度見表2。

表2某礦12#煤層“三帶”高度計算表

因此，某礦12#煤層開采后形成的垮落帶高度為14.6 m～16.9 m；垮落帶和裂隙帶總高度為74.3 m～81.2 m。

3.3覆巖破壞高度的物探分析

利用EH-4大地電磁測探資料對12#煤層開采以后的覆巖破壞高度以及對上部8#煤層的破壞及影響程度進(jìn)行分析，在圖4中可以看到，在水平方向0 m～300 m之間，標(biāo)高在+1 010 m～+1 080 m之間有一高阻閉合圈（圖中紅色虛線所示），該異常區(qū)域范圍位于12#煤層采空區(qū)上方，影響高度為70 m，異常區(qū)域下方電阻率等值線平滑，疏密變化不大，無錯動，層狀分布，電性標(biāo)志層穩(wěn)定，與巖層賦存特征相符，因此可推斷該異常區(qū)域為開采引起的覆巖破壞影響范圍。

圖4大地電阻率二維反演圖

在12#煤層影響區(qū)域與8#煤層采空區(qū)之間電阻率等值線平滑，無錯動，推斷該區(qū)域受12#煤層開采影響很小，覆巖未出現(xiàn)明顯破壞，12#煤層導(dǎo)水裂隙帶未與8#煤層覆巖的破壞區(qū)域聯(lián)通。

綜上，12#煤層開采后上覆巖層的破壞高度為65 m～81.2 m，8#煤層處于彎曲帶內(nèi)，8#煤層在結(jié)構(gòu)上未產(chǎn)生破壞，只產(chǎn)生微小的連續(xù)變形。12#煤層開采后上覆巖層已經(jīng)基本穩(wěn)定，因此，8#煤層在結(jié)構(gòu)上與時間上均滿足上行開采的要求。

4　結(jié)論

采用ANSYS有限元數(shù)值模擬軟件模擬了在12#煤層開采以后的覆巖破壞高度，分析得出某礦408盤區(qū)12#煤層開采后上覆巖層垮落帶高度為12 m～15 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為65 m～80 m。

由理論計算得出的12#煤層開采后形成的垮落帶高度為14.6 m～16.9 m，垮落帶和裂隙帶總高度為74.3 m～81.2 m；利用EH-4大地電磁測探資料得出12#煤層上覆巖層破壞高度是70 m。

鉆探結(jié)果表明某礦12#和8#煤層層間距最小為83 m，最大為95.55 m，平均85 m。8#煤層處于12#煤層開采引起的彎曲帶內(nèi)，8#煤層在結(jié)構(gòu)上未產(chǎn)生破壞，只產(chǎn)生微小連續(xù)變形。因此，8#煤層采用上行開采具有可行性。

參考文獻(xiàn)

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亢燕卿，男，1985年出生，山西省原平市大林鄉(xiāng)人。太原理工大學(xué)采礦工程畢業(yè)。現(xiàn)在大同煤礦集團資源整合礦井管理處工作。

Analysis on the Numerical Simulation of Upward Mining in a Certain Coal Mine

Kang Yanqing

Abstract：The 408 panel 12 # coal seam of a certain coal mine has been depleted，and 8# coal seam still has coal oc?currence. To avoid the permanent loss of 8# coal seam resource，the feasibility study of upward mining 8# coal seam uses the numerical simulation.The results show that the caving zone height of the overlying strata is 12～15m after mining 12 # coal seam，the height of the water flowing fractured zone is 65～80m. Combined the theory analysis with geophysical anal?ysis，the results show that upward mining 8# coal seam is feasible.

Keywords:upward mining；water flowing fractured zone；caving zone

收稿日期：2015-12-10

作者簡介

中圖分類號TD325+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1000-4886（2016）02-0011-03