顧鐵鳳

(太原理工大學理學院工程力學系,山西太原 030024)

房采采空區(qū)上方近距煤層反程序開采數(shù)值仿真

顧鐵鳳

(太原理工大學理學院工程力學系,山西太原 030024)

基于神東礦區(qū)寸草塔礦的近距煤層賦存條件,應用ANSYS仿真方法研究以往房采采空區(qū)上方的近距煤層反程序開采的可行性。其主要結(jié)論是：(1)下部 2-2上煤房柱開采后,留設(shè) 6m煤柱穩(wěn)定,其頂板穩(wěn)定未垮落; (2)2-1中煤層可用反程序長壁開采; (3)2-1中煤層長壁開采時,底板保持穩(wěn)定;(4)2-1煤層開采時,地表最大下沉 613mm,最大水平移動 13.6mm。數(shù)值仿真研究成果證明,在 2-2上房采煤柱采空區(qū)上方反程序開采 2-1中煤層是安全可行的。

房采采空區(qū);近距煤層;反程序開采;頂 (底)板穩(wěn)定性;數(shù)值仿真

近距煤層群反程序開采研究,已有很多成果[1-6],至于極近距 (7～16m)較薄 (1～1.3m)煤層房采采空區(qū)上方反程序開采,則研究不多[7]。神東礦區(qū)寸草塔煤礦,生產(chǎn)初期以開采 2組煤為主。2組煤從上至下為 2-1中、2-2上和 2-2中煤層。在寸草塔礦建井初期,因資金缺乏,未購置綜采設(shè)備,用簡易的房柱開采法開發(fā)煤質(zhì)優(yōu)良的 2-2上煤層,未采上部 2-1中煤層,形成呆滯資源。歸入神華集團后,煤炭資源需求日益增加,加之煤炭資源日益枯竭,為延長礦井年限,充分利用寸草塔煤礦有限的煤炭儲量,為此研究安全地開采上部2-1中煤層的方式,已經(jīng)提到重要的議事日程。因此,研究寸草塔礦房柱開采采空區(qū)上方極近距離薄煤層群的反程序 (上行)開采的可行性和安全性,將有重要的工程實用價值和推廣應用前景。

1 寸草塔礦 2-1中和 2-2上煤層開采的工程背景

寸草塔煤礦 2-2上煤厚度 1.27m,直接頂為厚度 3.42m的白色粉砂巖,泥質(zhì)膠結(jié),層狀構(gòu)造;基本頂為厚度 3.56m的深灰色泥質(zhì)粉砂巖,塊狀構(gòu)造;直接底為泥質(zhì)頁巖。2-1中煤層厚度1.07m,與 2-2上煤層間距變化在 6.6～25.81m,平均間距 16m左右;煤層傾角變化在 1～30°,采深 51～312m,平均 182m。2-1中煤層直接頂為厚度 3.22m的深灰色泥質(zhì)粉砂巖,塊狀構(gòu)造;基本頂為厚度 38.4m的灰綠色細砂巖;直接底板與 2-2上煤層頂板相同。

計劃在 2-1中煤層采用走向長壁開采方法,布置 240 m綜采工作面實施開采,進行數(shù)值仿真模擬的目的是論證反程序開采的科學性以及安全可靠性,指導實際工程決策。

2 寸草塔礦反程序開采的數(shù)值仿真方案設(shè)計

2.1 反程序開采仿真方案設(shè)計

寸草塔礦反程序開采的仿真模擬屬于 3-D非線性問題[8],計算采用 ANSYS10.0通用程序,使用 Solid95單元模式劃分研究區(qū)域,模擬巖石和煤層。假設(shè)場地內(nèi)無構(gòu)造影響,原巖地應力為自重應力場,選取工作面中部斷面為計算的主剖面。

寸草塔礦煤層近水平,仿真分析模型構(gòu)建時,可視為水平煤層。根據(jù)開采煤層地質(zhì)柱狀實際情況,建立計算模型。模型中共有 9層,自下而上的巖層結(jié)構(gòu)為粉砂巖、2-2上煤層、泥質(zhì)粉砂巖、煤線、粉砂巖、2-2中煤、泥質(zhì)粉砂巖和細砂巖,最后為厚層的風積沙覆蓋層。開采的煤層 2層,分別是 2-1中和 2-2上,開采順序為反程序 (上行)開采,即先采下面的 2-2上煤,再采上面相距 16m的 2-1中煤層,下層房柱開采,上層長壁綜采。

依據(jù)采場覆巖斷裂運動的 “關(guān)鍵層理論”[9],仿真模型的范圍選擇,應考慮工作面開采上、下巖層的相互影響范圍,以及工作面推進方向上應有足夠的初次來壓和周期來壓步距次數(shù)的限制,此外還應保證工作面的推進距離應能達到充分采動,推進方向消除模型邊界的影響。為此,模型在工作面推進 (X)方向上取 120m,在工作面長度方向 (Y)上取 60m,在開采深度方向上 (Z)考慮覆蓋層全厚,即取為 185.8m。為消除仿真模型邊界效應的影響,初采位置選在距離邊界 15m的位置。

在仿真計算時,綜合權(quán)衡微機容量、耗時、計算精度和關(guān)注的煤巖層區(qū)域等因素,單元基本尺寸4m×4m×4m。在開采重點關(guān)注的塑性破壞范圍,做了劃分單元的細化處理,模型劃分單元 11396個,節(jié)點 70559個。

2.2 模擬巖體物理力學性質(zhì)參數(shù)的選取

模型中煤、巖層的物理力學性質(zhì)參數(shù)依據(jù)試驗室實驗結(jié)果選定,如表 1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r石的物理力學性質(zhì)

2.3 模型初始邊界的選擇

由文獻 [8],仿真模擬時采用正交坐標系,原點選在模型底面長度和寬度的中線相交點處。模型的初始邊界選擇為：

(1)模型平行于工作面推進方向的兩側(cè)邊界(X向)和與之垂直的工作面長度方向兩側(cè) (Y向),施加與深度相關(guān)的水平應力 (式 (2)),即

(2)模型高度方向 (Z向)的底部邊界其水平、垂直初始位移為零,即

巖體自重應力σz按下式計算

式中,γi為覆巖體積力,KN/m3;hi為覆巖厚度,m。

前、后和左、右側(cè)面,在水平方向施加由自重應力產(chǎn)生的側(cè)向應力,如式 (2)：

式中,λ為側(cè)壓系數(shù),λ =μ/(1-μ);μ為巖石的泊松比。

2.4 地表位移監(jiān)測路徑和開挖方案擬定

為研究煤層開采對巖層移動的影響,觀測 Z=30m的垂直剖面各巖層的變形情況,清楚顯示 2-2上煤層房柱開采和 2-1中煤長壁開采后,地表水平變形和下沉變形的規(guī)律,在計算區(qū)域內(nèi)建立沿地表分布的監(jiān)測路徑,顯示地表各點橫向和豎向的位移變化。

開挖仿真方案,應結(jié)合實際開采工藝和順序確定。在寸草塔礦實際生產(chǎn)過程中,首先開采下層 2-2上煤,再開采上層 2-1中煤。下層 2-2上煤層,采用房柱開采方法,采 6m留 6m,即采出煤房寬度 6m,煤柱寬度 6m,形成 6m房 -柱相間的最終格局。為此,依據(jù)仿真模型工作面參數(shù),2-2上煤開采結(jié)束后,將會形成 8個煤房和 7個煤柱 (含邊界煤柱為 9個煤柱)。仿真分析時,按照每次開采2個煤房的模式進行,如此采完下部煤層,需要實施 4個開采步。而對上層 2-1中煤層,采用綜采開采時,按照切眼寬度 10m,其余每次開采 12m進度的模式進行,以便節(jié)省模擬時間,如此需要實施8個開采步。

仿真分 12個開采步驟,即為 12步開挖。采礦是由下而上逐步分水平進行,計算方案如表 2。在此,先實施下層 2-2上煤的房柱開采各步,即 1～4開采步;在此基礎(chǔ)上再實施上層 2-1中煤層的長壁開采模擬,即 5～12開采步。

表2 反程序開采仿真方案

2.5 仿真模擬的步驟

采礦過程中,煤巖層的變形與破壞實質(zhì)上是開采的力學等效響應。為此,主要應該仿真模擬出開采的影響,適用于內(nèi)加載模擬情形。在仿真時,第1步要計算因自重引起的原巖應力場和自重作用下的初始位移。繼續(xù)開采時,仿真所得位移是累加了初始位移的數(shù)值。為了科學合理地模擬寸草塔礦采空區(qū)上極近距薄煤層的反程序開采的應力和位移分布情況,開采過程分為 2步進行,并在這 2個大步中又依據(jù)表 2的情況,分為多個子步。具體來講,即 2-2上煤開采的第 1大步,分為 4個子步;2-1中煤開采第 2大步,分為 8個子步。

步驟 1：計算自重影響的各節(jié)點位移及各單元的初始應力。

步驟 2：以第 1步為基礎(chǔ),計算煤層開采后單元應力和各節(jié)點變形,得出消除初始位移的開采變形。

3 2-2上層開采后煤柱和頂板穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

3.1 2-2上煤層房柱開采應力變化規(guī)律

圖1為房柱開采 3～4步后垂直應力分布圖。由圖可見,開采邊界煤柱和支撐煤柱上,煤柱應力呈現(xiàn)非均勻分布,應力集中現(xiàn)象比較明顯。在支撐煤柱的邊緣出現(xiàn)較大的集中應力數(shù)值,為原巖(自重)應力的 2～4倍,仿真結(jié)果符合房柱開采支撐煤柱的集中應力分布規(guī)律[9]。在考慮房柱開采具有合理的采出率和安全的頂板控制條件下,通過設(shè)計安全的采留比參數(shù),即可借助支撐煤柱的穩(wěn)定和支撐作用來確保采空區(qū)頂板的變形穩(wěn)定,創(chuàng)造反程序 (上行)開采的條件。

圖1 2-2上煤層房柱開采 4步的垂直應力

房柱開采后,邊界煤柱和隔離煤柱變?yōu)椴煽諈^(qū)的支撐體系,類似于房柱采場采空區(qū)的支架,在這些煤柱上產(chǎn)生集中應力,峰值應力為 6.4MPa。該值低于煤柱的單軸抗壓強度 (13.1MPa),約為實際強度的 1/2。因此,房柱開采留設(shè) 6m支撐煤柱能保持穩(wěn)定,不會破壞。若用煤柱的三軸強度評價,則更加安全。

此外,2-2上煤層頂板 (2-1中煤底板)的采動應力,同樣小于其破壞強度,為此同樣也能保持穩(wěn)定。

從 2-2上煤層房柱開采后,支撐煤柱和頂板的穩(wěn)定性看,均保持完整的狀況,可以實現(xiàn) 2-1中煤反程序長壁開采的安全控制。

3.2 2-2上煤層房柱開采圍巖變形規(guī)律

圖2為房柱開采后覆巖垂直位移分布情況。據(jù)圖可見,2-2上煤房柱開采后,留設(shè)寬度 6m的煤柱支撐頂板,直接頂和基本頂均處于懸頂或彎沉狀態(tài),2-2上煤層頂板活動不明顯,頂板壓力主要由煤柱來承擔,房柱開采后頂板最大下沉量僅有 135～157mm,而且基本呈現(xiàn)均勻整體下沉的方式,頂板的完整結(jié)構(gòu)并未破壞。因 2-2上煤層采高1.27m,其頂板下沉量約為采高的 11%,可知頂板處于穩(wěn)定的情況,對房柱采空區(qū)上方 2-1中煤層反程序長壁開采非常有利。

圖2 2-2上煤層房柱開采 4步的垂直位移

3.3 2-2上煤層房柱開采地表變形規(guī)律

圖3為 2-2上煤層房柱開采結(jié)束后,地表變形移動的仿真分析成果。由此可知,地表水平變形較小,為 0.349～6.875mm,下沉量為 202～215mm,約為采高的 17%,即 2-2上煤層房柱開采后地表下沉系數(shù)為 0.17。

4 2-1中煤層開采圍巖應力和變形規(guī)律仿真分析

4.1 房采煤柱 -采空區(qū)上方 2-1中煤開采應力變化規(guī)律

圖4為長壁開采后垂直應力分布情況。依據(jù)不同模擬時步的模擬情況來看,隨著長壁工作面推進距離加大,煤壁前方的支承壓力逐漸升高,頂板巖層內(nèi)水平應力由壓應力減小而逐漸過渡為拉應力,導致頂板斷裂垮落,從而造成采場頂板的初次來壓和周期來壓等,使支架載荷顯著增加;位于采空區(qū)的頂、底板巖層內(nèi)垂直應力降低,產(chǎn)生離層。切眼側(cè)開采邊界同樣產(chǎn)生明顯的集中應力,最大集中應力為 16～18MPa,其為原巖應力的 4倍左右,超過煤層強度,邊界煤柱邊緣部分破壞,隨后集中應力向煤柱深部轉(zhuǎn)移,靠近采空區(qū)邊緣部分煤柱進入塑性狀態(tài),形成新的應力平衡。

圖3 2-2上煤房柱開采 3～4步的地表移動曲線

圖4 2-1中煤長壁開采 12步的垂直應力

2-1中煤長壁開采的仿真過程表明：整個開采推進階段,采場底板的應力分布均低于本身強度(30.2～42.6MPa),保持穩(wěn)定,無明顯的斷裂沉陷現(xiàn)象,沒影響 2-1中煤的正常安全開采,因此,進一步印證了前期下煤層 (2-2上)房柱開采后頂板穩(wěn)定的評價結(jié)果,是合理科學的。

4.2 房采煤柱 -采空區(qū)上方 2-1中開采圍巖變形規(guī)律

圖5為 2-1中煤層長壁開采后覆巖垂直位移分布情況。從圖可見,采場頂、底板有向采空區(qū)方向的位移,2-1中煤層頂板活動范圍明顯增加,頂板下沉量明顯加大,頂板最大下沉量為 194～264mm,頂板垮落充分,已經(jīng)充滿采空區(qū)。因 2-1中煤層采高 1.07m,其頂板下沉量約為采高的18.1%～26.4%.

圖5 2-1中煤長壁開采 12步的垂直位移

4.3 房采煤柱 -采空區(qū)上方 2-1中開采地表變形規(guī)律圖 6為長壁開采后地表變形變化情形。

圖6 2-1中煤長壁開采 12步的地表移動曲線

由圖可知,地表下沉盆地發(fā)生較大移動,水平變形最大 13.6mm,垂直變形 59～613mm,采空區(qū)的最大垂直下沉發(fā)生在采空區(qū)正對地表的中點處,最大下沉為 613mm,與相似模擬實驗最大下沉量558mm基本相當,下沉系數(shù)為 0.57,沉降變形向兩側(cè)逐漸減少的變化趨勢與實際也是一致的。由此說明采用ANSYS有限元程序模擬寸草塔礦房采采空區(qū)上方近距煤層反程序開采的研究成果科學可信。

5 結(jié)束語

采用 ANSYS數(shù)值模擬軟件對寸草塔礦 2-2上煤層房采采空區(qū)上方近距煤層 (2-1中)反程序開采問題,做了仿真研究,得出下層 2-2上煤房柱開采后,煤柱穩(wěn)定,能保持頂板的完整性,可以實施2-1中煤的反程序開采;2-1中煤長壁開采過程中,底板穩(wěn)定,不影響正常安全開采。

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[責任編輯：鄒正立]

Numerical Simulation of Upward Mining Coal Seam Near over Gob Left by Room and Pillar Mining

GU Tie-feng
(Engineering Mechanical Department of Science School,Taiyuan University of Science&Technology,Taiyuan 030024,China)

ANSYS was applied to researching the feasibility of upward mining coal seam near over gob left by room and pillar mining based on coal-seam occurrence condition of Cuncaota Colliery in Shendong mining field.Main results were list as follows.(1)6m coal pillar and its roof kept stable after lower 2-2-upper coal seam was mined by room and pillar mining method;(2)2-1-middle coal seam might be mined by upward mining method;(3)floor of 2-1-middle coal seam kept stable by long wall mining method;(4)in 2-1-middle coal seam mining,maximum surface subsidence was 613mm,maximum horizontal movement was 13.6mm.The results showed that upward mining coal seam near over gob left by room and pillar mining was safe and feasible.

gob left by room and pillar mining;close coal seams;upward mining;stability of roof(floor);numerical simulation

TD823.81

A

1006-6225(2011)01-0032-04

2010-10-18

國家科技支撐計劃項目(2007BAD29B02);山西省科技攻關(guān)項目(200631118-02);山西省自然科學基金(200601047)聯(lián)合資助

顧鐵鳳 (1961-),女,遼寧北鎮(zhèn)人,碩士,副教授,從事工程力學的教學科研工作。