近距離上保護(hù)層采動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬及分析

高 翔，龍 賀

(1.山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 柳灣煤礦，山西 孝義 032303；2.山東井亭實(shí)業(yè)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山東 棗莊 277525)

·試驗(yàn)研究·

近距離上保護(hù)層采動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬及分析

高 翔1，龍 賀2

(1.山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 柳灣煤礦，山西 孝義 032303；2.山東井亭實(shí)業(yè)有限公司 生產(chǎn)技術(shù)部，山東 棗莊 277525)

為了確定近距離上保護(hù)煤層開采對下部煤層的影響，通過數(shù)值模擬建立了基于某礦3527工作面的分析模型，通過分析上層煤開采過程中圍巖應(yīng)力、被保護(hù)層保護(hù)區(qū)域頂?shù)装鍛?yīng)力、保護(hù)層與被保護(hù)層頂?shù)装逦灰谱兓葏?shù)，確定3527近距離上保護(hù)層工作面回采時(shí)，底板位移最大變形量為66 mm，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板的位移變化量為15～57 mm，底板的位移變化量為12～47 mm，該方案可以為確定合理煤層群開采提供指導(dǎo)。

上保護(hù)層；煤層群；應(yīng)力分布；位移變化；數(shù)值模擬

在開采近距離高瓦斯煤層群時(shí)，首先開采具有突出危險(xiǎn)性的上煤層，并通過上煤層采用穿層鉆孔，對下層煤進(jìn)行瓦斯抽采，該上層煤稱為高瓦斯煤層的保護(hù)層，高瓦斯煤層為被保護(hù)煤層。該方案是防治近距離煤層突出危險(xiǎn)的經(jīng)濟(jì)有效的方法。通過數(shù)值模擬軟件對保護(hù)層采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以為工程實(shí)踐提供參考。

1 模型建立

數(shù)值模型的建立應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場的實(shí)際情況并結(jié)合相關(guān)專業(yè)研究理論進(jìn)行。礦井近距離上保護(hù)層開采期間，未對上保護(hù)層開采的卸壓角進(jìn)行過實(shí)測，因此，保護(hù)層沿傾向方向卸壓角以及卸壓范圍參照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》(2009 年版)的要求進(jìn)行選取。

某礦3527近距離上保護(hù)層工作面煤層傾角平均20°，當(dāng)上保護(hù)層傾角為20°時(shí)，保護(hù)層沿傾斜方向卸壓角按75°選取。保護(hù)層工作面沿傾斜方向的保護(hù)范圍示意圖見圖1.

圖1 保護(hù)層工作面沿傾斜方向保護(hù)范圍示意圖

3527近距離上保護(hù)層工作面回采長度78 m，平均可采厚度1.30 m，埋深385～455 m，取平均埋深420 m，II煤近距離上保護(hù)層與III煤平均間距在10～15 m，根據(jù)近距離上保護(hù)層工作面回采長度、煤層賦存埋深以及近距離上保護(hù)層與被保護(hù)層層間距，建立3527近距離上保護(hù)層工作面回采期間，底板煤巖層應(yīng)力和位移變化的數(shù)值模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬。工作面相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 試驗(yàn)工作面相關(guān)參數(shù)表

在CAD中繪制出近距離上保護(hù)層開采期間應(yīng)力、位移模型，通過COMSOL與CAD連接，將模型導(dǎo)入COMSOL.根據(jù)設(shè)置的數(shù)值模型和現(xiàn)場實(shí)際情況，采用COMSOL模擬軟件中的固體力學(xué)模塊進(jìn)行數(shù)值模擬，固體力學(xué)模型方程表述形式如公式(1)所示：

-▽·σ=F·v

(1)

根據(jù)固體力學(xué)數(shù)值模型，模擬受應(yīng)力載荷作用下應(yīng)力、位移的變化分布情況。模擬時(shí)，煤巖層視為彈塑性理想體，采動(dòng)過程中煤巖層變形服從德魯克-普拉格(Drucker-Prager，簡稱D-P準(zhǔn)則)屈服條件，將模型的左右邊界設(shè)定為固定邊界，輥支撐結(jié)構(gòu)，模型上邊界受到采動(dòng)影響發(fā)生位移變化，設(shè)定為自由邊界，下邊界設(shè)定為固定邊界，根據(jù)礦井煤層賦存特征、上覆巖層巖性、煤層埋藏深度，通過q=∑ρgh計(jì)算工作面平均應(yīng)力載荷，其中，ρ為上覆巖層的平均密度，取平均值2 500 kg/m3，g為重力加速度，計(jì)算得出3527近距離上保護(hù)層工作面平均應(yīng)力載荷10.50 MPa. 近距離上保護(hù)層開采底板煤巖層采動(dòng)效應(yīng)見表2.

表2 近距離上保護(hù)層開采底板煤巖層采動(dòng)效應(yīng)表

2 應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

根據(jù)近距離上保護(hù)層底板煤巖層采動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬模型、相關(guān)參數(shù)以及相關(guān)條件設(shè)定，對近距離上保護(hù)層底板煤巖層采動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，3527近距離上保護(hù)層開采期間，應(yīng)力分布數(shù)值模擬云圖見圖2，圖3.

圖2 近距離上保護(hù)層開挖時(shí)應(yīng)力分布云圖1

圖3 近距離上保護(hù)層開挖時(shí)應(yīng)力分布云圖2

從圖2，圖3可以看出：3527近距離上保護(hù)層開采期間，沿工作面傾斜方向，離底板越近應(yīng)力變化幅度越大，離底板越遠(yuǎn)變化幅度越小，反映出近距離上保護(hù)層開采期間，煤巖層應(yīng)力隨著距煤層底板垂直距離的加大，呈現(xiàn)減弱、緩和的趨勢。

位于近距離上保護(hù)層采空空間下部的底板煤巖層應(yīng)力變化沿深度方向呈“V”字形分布，即采空區(qū)下部中間部位煤巖層應(yīng)力減小程度最大，隨著距采空區(qū)中心距離的增大，應(yīng)力減小程度逐漸降低，位于近距離上保護(hù)層回采巷道影響區(qū)內(nèi)的煤巖層，所承受的應(yīng)力增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中。

3 被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域頂?shù)装鍛?yīng)力變化

3527近距離上保護(hù)層開采期間，III號(hào)煤層受采動(dòng)影響的被保護(hù)區(qū)域內(nèi)煤層頂板、底板所受壓應(yīng)力分布數(shù)值模擬曲線圖見圖4.

從圖4可以看出：沿煤層傾向方向，位于保護(hù)層采空區(qū)中部區(qū)域的被保護(hù)層卸壓程度最大，隨著距離采空區(qū)中部位置距離的增大，卸壓程度呈減緩趨勢。

4 保護(hù)層底板和被保護(hù)層頂?shù)孜灰谱兓卣?/h2>

保護(hù)層開采期間，處于工作面切眼前方一定范圍內(nèi)的底板煤巖層受超前應(yīng)力作用壓縮，處于工作面采空區(qū)后方的底板煤巖層卸壓后向采空空間鼓起，正是由于底板煤巖層一定范圍內(nèi)受采動(dòng)影響而出現(xiàn)的變形破壞差異性，使底板煤巖層產(chǎn)生不同程度的裂隙。

煤層開采過后，工作面后方采空區(qū)為底板煤巖層的膨脹變形提供了較大的臨空面，使位于采空區(qū)下方底板煤巖層向采空區(qū)移動(dòng)，同時(shí)，底板煤巖層在應(yīng)力狀態(tài)變化的情況下，向臨空面發(fā)生變形甚至破壞。

圖4 保護(hù)層開挖時(shí)被保護(hù)層頂、底板應(yīng)力變化曲線圖

保護(hù)層開采期間，不管是底板煤巖層的上下錯(cuò)動(dòng)，還是膨脹變形，其發(fā)生的前提條件是在上保護(hù)層開采過后，底板煤巖層位移的產(chǎn)生和變化。

4.1 近距離上保護(hù)層工作面底板位移變化

3527近距離上保護(hù)層工作面開采期間，保護(hù)層工作面采空區(qū)內(nèi)底板位移變化曲線見圖5.

從圖5可以看出：從煤層傾向方向上看，保護(hù)層工作面采空區(qū)內(nèi)底板位移變化呈“拱形”分布；根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，當(dāng)埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護(hù)層工作面回采時(shí)，底板位移最大變化量為66 mm.

圖5 被保護(hù)層采空區(qū)內(nèi)沿傾向底板位移變化曲線圖

4.2 被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域頂?shù)装逦灰谱兓?/h3>

3527近距離上保護(hù)層工作面開采期間，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板、底板的位移變化曲線見圖6.

圖6 被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域頂、底板位移變化曲線圖

從圖6可以看出：從煤層傾向方向上看，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板和底板的位移變化呈“拱形”分布；根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，當(dāng)埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護(hù)層工作面回采時(shí)，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板的位移變化量為15～57 mm，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)底板的位移變化量為12～47 m.

5 結(jié) 論

本文從保護(hù)層開采采動(dòng)效應(yīng)觀點(diǎn)出發(fā)，闡述了保護(hù)層開采期間底板煤巖層應(yīng)力、位移變化特征以及滲透特性變化特征，通過相關(guān)數(shù)值計(jì)算和理論分析，得出的主要結(jié)論如下：

1) 3527近距離上保護(hù)層開采期間，位于近距離上保護(hù)層采空空間下部的底板煤巖層應(yīng)力變化沿深度方向呈“V”字形分布，即位于保護(hù)層采空區(qū)中部區(qū)域的被保護(hù)層卸壓程度最大，隨著距離采空區(qū)中部距離的增大，卸壓程度呈減緩趨勢。

2) 從煤層傾向方向上看，保護(hù)層工作面采空區(qū)內(nèi)底板位移變化呈“拱形”分布，當(dāng)埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護(hù)層工作面回采時(shí)，底板位移最大變化量為66 mm.

3) 從煤層傾斜方向上看，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板和底板的位移變化呈“拱形”分布，當(dāng)埋深420 m、工作面長度78 m的3527近距離上保護(hù)層工作面回采時(shí)，被保護(hù)層被保護(hù)區(qū)域內(nèi)頂板的位移變化量為15～57 mm，底板的位移變化量為12～47 mm.

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2017-06-06

高 翔(1979—)，男，山西介休人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦開采工作(E-mail)zfg3259@163.com