不同層數采空區巖層移動變形特征對比分析

張 元，武 劍

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

不同層數采空區巖層移動變形特征對比分析

張 元1，武 劍2

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

通過不同層數采空區條件下巖層移動變形特征的對比分析，為今后進一步分析采空區巖層移動對井筒破壞的影響奠定基礎，為穿越采空區井筒的合理布置提供一個定性的指標。

巖層；移動變形；對比；分析

1 引言

近年來，隨著我國淺部可開發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的重要任務。而許多地區深部煤層的開發，面臨著淺部煤層采空區帶來的一系列理論和技術問題。為確定合理布置穿越采空區井筒的位置，本文運用ANSYS模擬軟件對不同層數采空區條件下巖層移動變形特征做一個初步探討，為穿越采空區井筒的合理布置提供一個定性指標。

2 單層采空區巖層移動變形特征分析

變形穩定的采空區對井筒穩定性無大的影響，但尚未穩定的采空區后續變形對井筒的穩定性的影響是必須掌握的。因此，以下對尚未穩定的采空區變形特征進行分析，以進一步分析其對井筒穩定性影響的特征機理。

分析目的：掌握未穩定單層采空區巖層移動特征，包括應力分布特征、變形分布特征，以確定采空區的存在可能對井筒穩定性造成的影響。

分析模型：長度150m，其中，實體煤部分80m，采空區部分70m；高度50m，采高6m，頂板巖層已發生垮落，但巖層移動尚未穩定，見圖1。

模型離散：模型共劃分15 505個單元，設置46925個節點。

邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，兩側邊界水平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：采空區巖層進一步移動變形所產生的剪應力以及不均勻性變形是模擬研究需重點關注的內容。

分析方法：采用ANSYS有限元軟件[1]，巖層材料力學模式為大變形模式。

圖1 幾何模型

圖2 距離采空區30m時位移沿鉛錘方向分布曲線

圖3 距離采空區30m時應力沿鉛垂方向分布曲線

結果表明：存在單層采空區時，實體煤內部15 m至采空區內部25m的范圍內對應的巖層水平位移較明顯。模型中最大水平位移達25 cm，發生在采空區上方頂板巖層，最大水平位移點和煤壁的連線與水平線夾角約70°。表明垂直位移在進入采空區內25m后達到最大值約1.3m，并趨于穩定。

圖2和圖3為距離采空區30m處位移、應力沿鉛垂方向的變化規律。從中可以看出明顯支承壓力集中現象（最大縱向應力達19MPa，高于自重應力約13MPa），采空區對應高度區間，水平應力分布曲線中出現草帽狀。

圖4 距離采空區10m時位移沿鉛垂方向分布曲線

圖5 距離采空區10m時應力沿鉛垂方向分布曲線

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

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

3 雙層采空區巖層移動變形特征分析

分析目的：掌握未穩定雙層采空區巖層移動特征，包括應力分布特征、變形分布特征，以確定雙層采空區的存在可能對井筒穩定性造成的影響。

分析模型：長度160m，其中，實體煤部分80m，采空區部分80m；高度188m，模型中包含兩層采空區，兩層采空區被采煤層層間距46m，上層為刀柱式開采形成，埋深105m，下層為長壁式開采形成，埋深158m。上層采空區采高1.5m，頂板巖層由煤柱支撐，未發生垮落，但巖層移動尚未穩定；下層采空區采高6m，頂板巖層已發生垮落，但巖層移動尚未穩定。

圖6 采空區邊界處位移沿鉛垂方向分布曲線

圖7 采空區邊界處應力沿鉛垂方向分布曲線

模型離散：模型共劃分8282個單元，設置25861個節點。

邊界條件：模型底部鉛垂方向0位移約束，兩側邊界水平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：采空區巖層進一步移動變形所產生的剪應力以及不均勻性變形是模擬研究需重點關注的內容。

分析方法：采用ANSYS有限元軟件，巖層材料力學模式為大變形模式[2]。

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

4 結論

綜合以上關于層數不同采空區對巖層移動變形的影響，可得如下主要結論：

1）存在雙層采空區時，兩層采空區的影響產程疊加效應。巖層中水平應力存在著明顯的不均勻性，采空區各尖角部位存在著較強的壓應力集中區，下層采空區周圍的礦壓顯現明顯強于上層采空區。

2）實體煤中0～15m的范圍以及采空區中0-25 m的范圍水平位移較大，剪應力值也較大且分布不均勻，縱向應力存在明顯分布不均現象，是采空區影響最為劇烈的范圍。

[1]劉 濤，楊風鵬.精通ANSYS[M].北京:清華大學出版社，2002.

[2]趙陽升.有限元法及其在采礦工程中的應用[M].北京：煤炭工業出版社，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，從事煤礦生產技術工作。

徐樹文