上行開采層間巖層移動規律數值模擬實驗研究

仲 叢 明

(山西省第三地質工程勘察院，山西 榆次 030620)

上行開采層間巖層移動規律數值模擬實驗研究

仲 叢 明

(山西省第三地質工程勘察院，山西 榆次 030620)

采用FLAC3D有限差分法分析軟件模擬了白家莊煤礦上行開采的過程，通過改變層間巖層組合情況形成不同的數值模擬模型，計算分析上行開采前后層間巖層應力變化規律，在此基礎上，進一步研究下、上煤層開采前后層間巖層的移動變形規律，最后通過層間巖層的力學關系及移動變形情況分析不同模型上行開采的可行性，與傳統上行開采可行性理論判定結果及生產實際一致。

上行開采，FLAC3D，數值模擬，層間巖層，巖層移動

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美國Itasca公司基于拉格朗日差分法研發推出的連續介質力學分析軟件。其將拉格朗日法應用于固體力學中，來模擬巖土或其他材料構建的結構體的性能[1,2]。本文應用FLAC3D模擬白家莊煤礦上行開采層間巖層的大變形和時效性變形，進而對上行開采的可行性及開采過程中層間巖層移動規律進行分析，對煤礦的上行開采提供理論指導與技術支持。

1 工程基本情況

表1 6號煤頂底板物理力學參數表

2 模擬方案及模型

以上行開采工作面實際情況為基礎摩爾—庫侖(Mohr-cloulomb)計算模型，采用自由垮落法管理頂板，設置監控點監控不平衡力及位移量(監控點布置見圖2)。模型方案一長220 m，高度48.4 m，兩側各預留20 m煤柱，8號煤采高2.0 m，6號煤采高1.7 m，走向長180 m，層間巖層厚27.6 m，在8號煤開采后6號煤采取循環進刀的方式，每采10 m為一計算單元(見圖3)。模型方案二在方案一的基礎上將層間巖層的厚度減少為10.3 m，計算條件與方案一相同，具體計算模型見圖4。

3 計算結果及分析

3.1 模型層間巖層應力分析

在下層煤層開采后，壓應力向兩側煤柱和圍巖轉移，使層間巖層壓應力自上而下逐漸減小，直至壓應力為零或轉為拉應力[3,4]；上行開采是在下層煤開采巖層垮落穩定后開采上部煤層，所以其應力變化主要與上層煤采動有關[5]，上層煤開采破壞了原采空區上覆巖層的平衡狀態，使壓應力再次向兩側移動[6,7]。圖4為各監控點壓應力隨上行開采推進的變化曲線，上層煤采煤面未到達監控點時，該處壓應力上大下小。此時下部監控點臨近下層煤采空區，層間巖層存在梁結構，支撐上覆巖層壓力，采空區穩定性未受破壞。隨著上層煤采煤面的推進，上層煤應力影響范圍擴大到監控點位置，上行開采造成的應力變化開始對監控點起作用，該過程持續到采煤面經過，在曲線上變化為先增大，采煤面經過后應力臨空釋放突然變小。

3.2 模型層間巖層的移動變形分析

圖5為未進行上行開采時各巖層位移量，越臨近下層煤采空區，位移量越大；巖層的位移量從煤柱向采空區中心位置逐漸增大，但是位移增量減小，呈沉陷盆地狀；各巖層最大位移量均出現在下層煤采空區中部，其中上層煤頂板位移量最小，為19 cm，下層煤頂板位移量最大，為23 cm，部分巖層出現離層現象，最大離層量為4 cm；最大位移量(23 cm)遠小于下層煤采高(2 m)，可見此時層間巖層結構完整，未出現明顯破斷及垮落現象。

圖6為監控點Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ點Z方向位移隨上層煤采煤面推進變化曲線圖。采煤面距離監控點較遠時，在應力作用下巖層整體下移，但未出現離層和分帶現象；當上層煤采煤面前的集中壓應力帶到達監控點上部時，層間各巖層在應力作用下的位移量出現差異；Ⅰ點上層煤基本頂，在上層煤采面經過后，位移量變大，在未采取支護措施的情況下產生垮落；Ⅱ點(2.5 m石灰巖)在上層煤采面經過后位移量停止變化，說明此時該層主要在層間巖層中傳遞橫向應力，形成梁結構出現，有效的阻止上覆巖層下落，將應力向前后柱腳傳遞，為控制層；Ⅲ點和Ⅳ點位于控制層下方，位移量依次增大，說明上行開采在過程中層間巖層離層量進一步加大，雖然有控制層存在，但是控制層下部巖層仍然會向下移動；隨上行開采的進行，各巖層位移量進一步加大，但增量減小，逐漸進入新的穩定狀態，可見控制層的存在有效的阻止了上覆巖層應力的向下傳遞，控制層之上的巖層有控制層支撐不再向下移動，其下部巖層在穩定破壞后，由于不再接受上部巖層的壓力而轉為穩定，所以控制層在上行開采過程中起到了關鍵作用。

圖7為各巖層在上行開采結束后的最大位移量，其中34.5 m線位移量較小，與下部巖層分離，根據前文分析，該層應為控制層；上行開采后控制層最大位移位置出現在140 m處，而其下部的巖層最大位移的位置在120 m處，這是由于上行開采造成的集中應力主要由控制層承擔，而下部巖層受影響相對較小；9.8 m線與28.9 m線的位移曲線近乎平行，與控制層相差較多，說明在這之間的巖層是整體移動的，主要在自重及水平方向應力作用下移動；39.4 m線為上層煤頂板，上層煤采動后發生垮落，說明上行開采后上覆巖層運移規律與普通開采覆巖運移規律總體相似。

3.3 上行開采可行性分析

根據數值模擬分析，該模型上行開采中上層煤底板2.5 m石灰巖與其下部巖層發生離層，但自身為穩定平衡狀態，起控制層作用。在實際開采中，在6號煤層向8號煤層鉆孔，孔深27.6 m，達到長壁采空區，8號煤層回采之后，冒落帶巖層破壞，裂隙帶層理和節理有所改變，在6號煤層底板控制層2.5 m石灰巖底部未見裂隙，6號煤層的整體性沒有遭到破壞，可進行上行開采，數值模擬分析結果與實際情況較為吻合。

圖8為方案二未進行上層采動時Z方向應力云圖，該模型6號煤層處于拉應力區域范圍內，層間巖層不承受上部巖層傳遞的壓應力，煤層失去其下部巖層的支撐力，考慮到大型采煤機械的自重與動力作用、開采過程中的支承壓力有限和巖層的不穩定性，層間巖層會遭到破壞，故該模型不可上行開采。根據“三帶”理論，此模型上層煤處于下層煤采空區冒落帶范圍內，按傳統可行性理論判定為不可上行開采，與數值模擬分析結果吻合。

4 結語

1)通過數值模擬對實際工程的上行開采圍巖應力、位移情況的分析表明，在選取了正確計算參數和計算模型的前提下，應用FLAC3D軟件研究上行開采是可行的，可以獲得與實際開采較吻合的移動變形規律。2)層間巖層在上層煤開采之前壓應力增大，上層煤采過后短時間內壓應力急劇減小，而后隨上層煤頂板的垮落逐漸增加，直至巖層組重新穩定，壓應力總體呈現大—小—大的變化趨勢。3)上行開采后，層間各巖層移動量并不相同，其中控制層移動量最小，其下部巖層仍會向下移動，移動量大于控制層，該移動過程逐漸減緩，直至穩定狀態。4)上行開采破壞了層間巖層的穩定性，主要原因歸結于采煤前進方向即采煤工作面前的應力集中現象，若層間巖層能夠承受前方支承壓力，并且能承受上層煤頂板垮冒的作用力，即層間巖層控制層始終以一整體結構出現，不產生大的破斷垮冒現象，那么上行開采可行。

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Ascendingminingandmiddlestrata’smovingrulenumericalsimulationexperimentalresearch

ZHONGCong-ming

(TheShanxiProvincialThirdInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Yuci030620,China)

In this paper, the process of upward mining in Baijiazhuang mine is analyzed by the simulation function in FLAC3Dsoftware， the variation of rock pressure before and after upward mining is calculated and analyzed by means of numerical simulation model, and then the deformation and movement of middle strata before and after mining the upper and lower coal are further studied. Finally, the simulation results of studying the rock layer’s mechanical relationship and deformation condition is the same with actual mining.

ascending mining, FLAC3D， numerical simulation， rock strata between coal seams， strata movement

1009-6825(2014)33-0072-03

2014-09-17

仲叢明(1983- )，男，碩士，助理工程師

TD823.2

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