楊 逾 唐 凱 梁鵬飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新123000;2.阜新市公路工程質(zhì)量與安全監(jiān)督處，遼寧 阜新123000)

上行開采與層間巖層之間有著密切的聯(lián)系，層間巖層的破壞情況是判定上行開采可行性的重要依據(jù)，上行開采也會(huì)對(duì)層間巖層產(chǎn)生二次影響。因此，只有充分認(rèn)識(shí)上行開采與層間巖層的相互影響關(guān)系，尤其是在特定巖層條件下，層間巖層的移動(dòng)變形和破壞規(guī)律，才能夠更合理地對(duì)上部煤層進(jìn)行開采，及時(shí)有效地采取相關(guān)措施，以保證上行開采的安全。大同礦區(qū)同家梁礦408 盤區(qū)12#煤層已開采完畢，現(xiàn)擬對(duì)其上部的8#煤層進(jìn)行開采。深入研究2 個(gè)煤層之間層間巖層的移動(dòng)變形規(guī)律以及破壞情況，對(duì)上行開采的安全進(jìn)行具有重要意義。

1 模擬方案設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

同家梁礦位于大同礦區(qū)向斜中段東南側(cè)，上行開采區(qū)域主要集中在同家梁礦的408 盤區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的主要可采煤層為12#煤層和8#煤層，均為水平煤層。12#煤層埋深為363.5 m，平均開采厚度為3.0 m，現(xiàn)已開采完畢;8#煤層埋深為287.2 m，煤層平均厚度為1.3 m，準(zhǔn)備采用上行開采的方法進(jìn)行開采。

1.2 層間巖層特征

同家梁礦12#煤層與8#煤層之間的層間巖層厚度為67.37 ～82.70 m，平均約為75 m，主要包括粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖和夾雜的少量黑色泥巖，詳見圖1。

圖1 8#煤層頂板及層間巖層綜合柱狀圖Fig.1 Integrated histogram of 8#coal seam roof and rock layers

根據(jù)各層巖層的物理力學(xué)性質(zhì)分析可知，層間巖層多為堅(jiān)硬或極堅(jiān)硬巖層。極堅(jiān)硬巖層在采煤過程中給礦井造成很多災(zāi)害，煤炭開采后，煤層頂板大面積懸頂，當(dāng)懸頂面積達(dá)到一定范圍之后，會(huì)突然垮落，破壞下面的生產(chǎn)設(shè)備，造成地面沉陷，甚至發(fā)生小型礦震。

1.3 模型建立

根據(jù)實(shí)際開采情況，確定模擬計(jì)算模型的尺寸為800 m×400 m×370 m，共分17 層，其中開采工作面的大小為500 m ×140 m，上行煤層開采工作面對(duì)齊布置。

模型的前后面和左右面均施加水平約束，底部邊界固定，頂部為自由邊界，對(duì)水平和豎直位移均不進(jìn)行約束。整個(gè)模型進(jìn)行重力加速度設(shè)置，用來模擬由于材料自重而產(chǎn)生的應(yīng)力效果，各層煤巖體均采用摩爾－庫倫塑性模型進(jìn)行模擬。層間巖層各層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.4 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

在模型中部分巖層及煤層中分別布置測線和相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)，沿模型的x 方向布設(shè)4 條測線，測線通過12#煤層采空區(qū)的中間位置，測線高度分別為30、50、70、81.5 m(8#煤層底板位置);測線每隔40 m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每條測線上共21 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，詳見圖2。

表1 層間巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The mechanical parameters of rock strata between coal seams

圖2 測線布置圖Fig.2 Arrangement of the measured line

2 層間巖層移動(dòng)變形模擬分析

2.1 豎向移動(dòng)隨上行開采推進(jìn)距離變化的規(guī)律

下煤層采空區(qū)頂板垮落重新壓實(shí)以后，上煤層才可以進(jìn)行上行開采，所以上行開采過程產(chǎn)生的位移是下煤層開采產(chǎn)生位移的延續(xù)。8#煤層從x =150 m 位置開始推進(jìn)，推進(jìn)長度為500 m。分別對(duì)8#煤層推進(jìn)10、50、100、200、300、400 和500 m 后的層間巖層豎向位移進(jìn)行監(jiān)測記錄，根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，整理后得到各測線監(jiān)測點(diǎn)隨推進(jìn)距離而變化的豎向位移曲線，具體見圖3。

由圖3 分析可知，監(jiān)測點(diǎn)x =0 m 和x =80 m 位于12#煤層采空區(qū)對(duì)應(yīng)位置的外部，隨著8#煤層的推進(jìn)，這2 點(diǎn)的豎向位移逐漸增加;監(jiān)測點(diǎn)x=160 m 基本位于8#煤層工作面開切眼的正下方，其豎向位移隨8#煤層的推進(jìn)而越來越小，呈回升的趨勢(shì);監(jiān)測點(diǎn)x=240 m、x=320 m 和x=400 m 均位于8#煤層的推進(jìn)方向，8#煤層開始推進(jìn)后，豎向位移隨推進(jìn)距離的增加而增大，但當(dāng)推進(jìn)位置接近監(jiān)測點(diǎn)后，監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移開始減小，減小到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定。

根據(jù)以上對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移數(shù)據(jù)的分析，可以總結(jié)出層間巖層豎向位移隨上行開采推進(jìn)距離而變化的規(guī)律:上行開采過程中，位于上行開采推進(jìn)位置后方對(duì)應(yīng)的層間巖層，其豎向位移隨上行開采推進(jìn)而逐漸增大;位于上行開采推進(jìn)方向的層間巖層，其豎向位移先增大后減小。

圖3 層間巖層豎向位移隨8#煤層推進(jìn)距離變化規(guī)律Fig.3 The variation of rock strata's vertical displacement with 8# coal seam's advance distance

2.2 豎向位移隨深度變化的規(guī)律

上行開采對(duì)層間巖層產(chǎn)生的影響與層間巖層的深度有直接聯(lián)系，根據(jù)上行開采前后層間巖層豎向位移的變化曲線，分析上行開采對(duì)層間巖層的豎向位移產(chǎn)生的影響。上行開采前后豎向位移變化曲線(變化值＞0，表示相對(duì)開采前的回彈量;變化值＜0，表示相對(duì)開采前的下沉量)見圖4。

由圖4 分析可知，上行開采對(duì)采空區(qū)對(duì)應(yīng)位置外部的區(qū)域影響較小，上行開采后，此部分層間巖層產(chǎn)生少量下沉;而下部采空區(qū)對(duì)應(yīng)位置的上方，層間巖層豎向位移變化較大，上行開采后，層間巖層的豎向位移與上行開采前相比有回升的趨勢(shì)，層間巖層的豎向位移變化量隨著深度的增加而逐漸減小。

2.3 層間巖層破壞情況隨深度變化的規(guī)律

圖4 上行開采前后層間巖層豎向位移變化曲線Fig.4 The vertical displacement curve of rock strata before and after ascending mining between coal seams

上行開采以后，層間巖層不僅僅是豎向位移發(fā)生了變化，其巖層結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性也發(fā)生了變化，因此對(duì)開采前后層間巖層的塑性區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析，從而分析上行開采對(duì)層間巖層產(chǎn)生的破壞影響。見圖5 ～圖8。

圖5 z=30 m 剖面上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.5 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=30 m section

由上各圖對(duì)比分析，z =30 m 剖面層間巖層在上行開采前已有大面積單元發(fā)生了破壞或正在發(fā)生破壞，上行開采后，塑性單元并沒有明顯增加;z =50 m剖面層間巖層在上行開采前只有部分單元受到破壞，且零散分布，上行開采后，破壞單元明顯增加，且破壞單元成片分布;z=70 m 剖面層間巖層上行開采前未發(fā)生明顯破壞，上行開采后出現(xiàn)大面積破壞區(qū)域;8#煤層底板在上行開采前未發(fā)生明顯破壞，但上行開采后，8#煤層底板全部被破壞。

圖6 z=50 m 剖面上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.6 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=50 m section

圖7 z=70 m 剖面上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.7 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=70 m section

圖8 8#煤層底板上行開采前后塑性區(qū)變化Fig.8 The variation of plastic zone before and after ascending mining at 8# coal seam floor

根據(jù)以上分析可知，層間巖層在上行開采后又發(fā)生了二次破壞，破壞程度隨巖層深度的增加而逐漸減小，當(dāng)層間巖層足夠厚時(shí)，下部的層間巖層將不會(huì)受到上行開采的影響。

3 結(jié) 論

(1)與采空區(qū)位置相對(duì)應(yīng)的厚硬層間巖層豎向位移隨推進(jìn)距離的增加而先增大后減小;上行開采完畢后，該區(qū)域?qū)娱g巖層的豎向位移相比開采前有少量回彈，回彈量隨層間巖層的深度增加而逐漸減小;對(duì)應(yīng)在采空區(qū)位置之外的層間巖層受上行開采影響較小。

(2)上行開采對(duì)層間巖層造成了二次破壞，破壞程度隨層間巖層的深度增加而逐漸減小。因此，足夠的層間巖層厚度是上行開采安全進(jìn)行的必要條件之一。

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