房采采空区上方近距煤层反程序开采数值仿真

顾铁凤

(太原理工大学理学院工程力学系,山西太原 030024)

房采采空区上方近距煤层反程序开采数值仿真

顾铁凤

(太原理工大学理学院工程力学系,山西太原 030024)

基于神东矿区寸草塔矿的近距煤层赋存条件,应用ANSYS仿真方法研究以往房采采空区上方的近距煤层反程序开采的可行性。其主要结论是：(1)下部 2-2上煤房柱开采后,留设 6m煤柱稳定,其顶板稳定未垮落; (2)2-1中煤层可用反程序长壁开采; (3)2-1中煤层长壁开采时,底板保持稳定;(4)2-1煤层开采时,地表最大下沉 613mm,最大水平移动 13.6mm。数值仿真研究成果证明,在 2-2上房采煤柱采空区上方反程序开采 2-1中煤层是安全可行的。

房采采空区;近距煤层;反程序开采;顶 (底)板稳定性;数值仿真

近距煤层群反程序开采研究,已有很多成果[1-6],至于极近距 (7～16m)较薄 (1～1.3m)煤层房采采空区上方反程序开采,则研究不多[7]。神东矿区寸草塔煤矿,生产初期以开采 2组煤为主。2组煤从上至下为 2-1中、2-2上和 2-2中煤层。在寸草塔矿建井初期,因资金缺乏,未购置综采设备,用简易的房柱开采法开发煤质优良的 2-2上煤层,未采上部 2-1中煤层,形成呆滞资源。归入神华集团后,煤炭资源需求日益增加,加之煤炭资源日益枯竭,为延长矿井年限,充分利用寸草塔煤矿有限的煤炭储量,为此研究安全地开采上部2-1中煤层的方式,已经提到重要的议事日程。因此,研究寸草塔矿房柱开采采空区上方极近距离薄煤层群的反程序 (上行)开采的可行性和安全性,将有重要的工程实用价值和推广应用前景。

1 寸草塔矿 2-1中和 2-2上煤层开采的工程背景

寸草塔煤矿 2-2上煤厚度 1.27m,直接顶为厚度 3.42m的白色粉砂岩,泥质胶结,层状构造;基本顶为厚度 3.56m的深灰色泥质粉砂岩,块状构造;直接底为泥质页岩。2-1中煤层厚度1.07m,与 2-2上煤层间距变化在 6.6～25.81m,平均间距 16m左右;煤层倾角变化在 1～30°,采深 51～312m,平均 182m。2-1中煤层直接顶为厚度 3.22m的深灰色泥质粉砂岩,块状构造;基本顶为厚度 38.4m的灰绿色细砂岩;直接底板与 2-2上煤层顶板相同。

计划在 2-1中煤层采用走向长壁开采方法,布置 240 m综采工作面实施开采,进行数值仿真模拟的目的是论证反程序开采的科学性以及安全可靠性,指导实际工程决策。

2 寸草塔矿反程序开采的数值仿真方案设计

2.1 反程序开采仿真方案设计

寸草塔矿反程序开采的仿真模拟属于 3-D非线性问题[8],计算采用 ANSYS10.0通用程序,使用 Solid95单元模式划分研究区域,模拟岩石和煤层。假设场地内无构造影响,原岩地应力为自重应力场,选取工作面中部断面为计算的主剖面。

寸草塔矿煤层近水平,仿真分析模型构建时,可视为水平煤层。根据开采煤层地质柱状实际情况,建立计算模型。模型中共有 9层,自下而上的岩层结构为粉砂岩、2-2上煤层、泥质粉砂岩、煤线、粉砂岩、2-2中煤、泥质粉砂岩和细砂岩,最后为厚层的风积沙覆盖层。开采的煤层 2层,分别是 2-1中和 2-2上,开采顺序为反程序 (上行)开采,即先采下面的 2-2上煤,再采上面相距 16m的 2-1中煤层,下层房柱开采,上层长壁综采。

依据采场覆岩断裂运动的 “关键层理论”[9],仿真模型的范围选择,应考虑工作面开采上、下岩层的相互影响范围,以及工作面推进方向上应有足够的初次来压和周期来压步距次数的限制,此外还应保证工作面的推进距离应能达到充分采动,推进方向消除模型边界的影响。为此,模型在工作面推进 (X)方向上取 120m,在工作面长度方向 (Y)上取 60m,在开采深度方向上 (Z)考虑覆盖层全厚,即取为 185.8m。为消除仿真模型边界效应的影响,初采位置选在距离边界 15m的位置。

在仿真计算时,综合权衡微机容量、耗时、计算精度和关注的煤岩层区域等因素,单元基本尺寸4m×4m×4m。在开采重点关注的塑性破坏范围,做了划分单元的细化处理,模型划分单元 11396个,节点 70559个。

2.2 模拟岩体物理力学性质参数的选取

模型中煤、岩层的物理力学性质参数依据试验室实验结果选定,如表 1。

表1 煤层及顶底板岩石的物理力学性质

2.3 模型初始边界的选择

由文献 [8],仿真模拟时采用正交坐标系,原点选在模型底面长度和宽度的中线相交点处。模型的初始边界选择为：

(1)模型平行于工作面推进方向的两侧边界(X向)和与之垂直的工作面长度方向两侧 (Y向),施加与深度相关的水平应力 (式 (2)),即

(2)模型高度方向 (Z向)的底部边界其水平、垂直初始位移为零,即

岩体自重应力σz按下式计算

式中,γi为覆岩体积力,KN/m3;hi为覆岩厚度,m。

前、后和左、右侧面,在水平方向施加由自重应力产生的侧向应力,如式 (2)：

式中,λ为侧压系数,λ =μ/(1-μ);μ为岩石的泊松比。

2.4 地表位移监测路径和开挖方案拟定

为研究煤层开采对岩层移动的影响,观测 Z=30m的垂直剖面各岩层的变形情况,清楚显示 2-2上煤层房柱开采和 2-1中煤长壁开采后,地表水平变形和下沉变形的规律,在计算区域内建立沿地表分布的监测路径,显示地表各点横向和竖向的位移变化。

开挖仿真方案,应结合实际开采工艺和顺序确定。在寸草塔矿实际生产过程中,首先开采下层 2-2上煤,再开采上层 2-1中煤。下层 2-2上煤层,采用房柱开采方法,采 6m留 6m,即采出煤房宽度 6m,煤柱宽度 6m,形成 6m房 -柱相间的最终格局。为此,依据仿真模型工作面参数,2-2上煤开采结束后,将会形成 8个煤房和 7个煤柱 (含边界煤柱为 9个煤柱)。仿真分析时,按照每次开采2个煤房的模式进行,如此采完下部煤层,需要实施 4个开采步。而对上层 2-1中煤层,采用综采开采时,按照切眼宽度 10m,其余每次开采 12m进度的模式进行,以便节省模拟时间,如此需要实施8个开采步。

仿真分 12个开采步骤,即为 12步开挖。采矿是由下而上逐步分水平进行,计算方案如表 2。在此,先实施下层 2-2上煤的房柱开采各步,即 1～4开采步;在此基础上再实施上层 2-1中煤层的长壁开采模拟,即 5～12开采步。

表2 反程序开采仿真方案

2.5 仿真模拟的步骤

采矿过程中,煤岩层的变形与破坏实质上是开采的力学等效响应。为此,主要应该仿真模拟出开采的影响,适用于内加载模拟情形。在仿真时,第1步要计算因自重引起的原岩应力场和自重作用下的初始位移。继续开采时,仿真所得位移是累加了初始位移的数值。为了科学合理地模拟寸草塔矿采空区上极近距薄煤层的反程序开采的应力和位移分布情况,开采过程分为 2步进行,并在这 2个大步中又依据表 2的情况,分为多个子步。具体来讲,即 2-2上煤开采的第 1大步,分为 4个子步;2-1中煤开采第 2大步,分为 8个子步。

步骤 1：计算自重影响的各节点位移及各单元的初始应力。

步骤 2：以第 1步为基础,计算煤层开采后单元应力和各节点变形,得出消除初始位移的开采变形。

3 2-2上层开采后煤柱和顶板稳定性模拟结果分析

3.1 2-2上煤层房柱开采应力变化规律

图1为房柱开采 3～4步后垂直应力分布图。由图可见,开采边界煤柱和支撑煤柱上,煤柱应力呈现非均匀分布,应力集中现象比较明显。在支撑煤柱的边缘出现较大的集中应力数值,为原岩(自重)应力的 2～4倍,仿真结果符合房柱开采支撑煤柱的集中应力分布规律[9]。在考虑房柱开采具有合理的采出率和安全的顶板控制条件下,通过设计安全的采留比参数,即可借助支撑煤柱的稳定和支撑作用来确保采空区顶板的变形稳定,创造反程序 (上行)开采的条件。

图1 2-2上煤层房柱开采 4步的垂直应力

房柱开采后,边界煤柱和隔离煤柱变为采空区的支撑体系,类似于房柱采场采空区的支架,在这些煤柱上产生集中应力,峰值应力为 6.4MPa。该值低于煤柱的单轴抗压强度 (13.1MPa),约为实际强度的 1/2。因此,房柱开采留设 6m支撑煤柱能保持稳定,不会破坏。若用煤柱的三轴强度评价,则更加安全。

此外,2-2上煤层顶板 (2-1中煤底板)的采动应力,同样小于其破坏强度,为此同样也能保持稳定。

从 2-2上煤层房柱开采后,支撑煤柱和顶板的稳定性看,均保持完整的状况,可以实现 2-1中煤反程序长壁开采的安全控制。

3.2 2-2上煤层房柱开采围岩变形规律

图2为房柱开采后覆岩垂直位移分布情况。据图可见,2-2上煤房柱开采后,留设宽度 6m的煤柱支撑顶板,直接顶和基本顶均处于悬顶或弯沉状态,2-2上煤层顶板活动不明显,顶板压力主要由煤柱来承担,房柱开采后顶板最大下沉量仅有 135～157mm,而且基本呈现均匀整体下沉的方式,顶板的完整结构并未破坏。因 2-2上煤层采高1.27m,其顶板下沉量约为采高的 11%,可知顶板处于稳定的情况,对房柱采空区上方 2-1中煤层反程序长壁开采非常有利。

图2 2-2上煤层房柱开采 4步的垂直位移

3.3 2-2上煤层房柱开采地表变形规律

图3为 2-2上煤层房柱开采结束后,地表变形移动的仿真分析成果。由此可知,地表水平变形较小,为 0.349～6.875mm,下沉量为 202～215mm,约为采高的 17%,即 2-2上煤层房柱开采后地表下沉系数为 0.17。

4 2-1中煤层开采围岩应力和变形规律仿真分析

4.1 房采煤柱 -采空区上方 2-1中煤开采应力变化规律

图4为长壁开采后垂直应力分布情况。依据不同模拟时步的模拟情况来看,随着长壁工作面推进距离加大,煤壁前方的支承压力逐渐升高,顶板岩层内水平应力由压应力减小而逐渐过渡为拉应力,导致顶板断裂垮落,从而造成采场顶板的初次来压和周期来压等,使支架载荷显著增加;位于采空区的顶、底板岩层内垂直应力降低,产生离层。切眼侧开采边界同样产生明显的集中应力,最大集中应力为 16～18MPa,其为原岩应力的 4倍左右,超过煤层强度,边界煤柱边缘部分破坏,随后集中应力向煤柱深部转移,靠近采空区边缘部分煤柱进入塑性状态,形成新的应力平衡。

图3 2-2上煤房柱开采 3～4步的地表移动曲线

图4 2-1中煤长壁开采 12步的垂直应力

2-1中煤长壁开采的仿真过程表明：整个开采推进阶段,采场底板的应力分布均低于本身强度(30.2～42.6MPa),保持稳定,无明显的断裂沉陷现象,没影响 2-1中煤的正常安全开采,因此,进一步印证了前期下煤层 (2-2上)房柱开采后顶板稳定的评价结果,是合理科学的。

4.2 房采煤柱 -采空区上方 2-1中开采围岩变形规律

图5为 2-1中煤层长壁开采后覆岩垂直位移分布情况。从图可见,采场顶、底板有向采空区方向的位移,2-1中煤层顶板活动范围明显增加,顶板下沉量明显加大,顶板最大下沉量为 194～264mm,顶板垮落充分,已经充满采空区。因 2-1中煤层采高 1.07m,其顶板下沉量约为采高的18.1%～26.4%.

图5 2-1中煤长壁开采 12步的垂直位移

4.3 房采煤柱 -采空区上方 2-1中开采地表变形规律图 6为长壁开采后地表变形变化情形。

图6 2-1中煤长壁开采 12步的地表移动曲线

由图可知,地表下沉盆地发生较大移动,水平变形最大 13.6mm,垂直变形 59～613mm,采空区的最大垂直下沉发生在采空区正对地表的中点处,最大下沉为 613mm,与相似模拟实验最大下沉量558mm基本相当,下沉系数为 0.57,沉降变形向两侧逐渐减少的变化趋势与实际也是一致的。由此说明采用ANSYS有限元程序模拟寸草塔矿房采采空区上方近距煤层反程序开采的研究成果科学可信。

5 结束语

采用 ANSYS数值模拟软件对寸草塔矿 2-2上煤层房采采空区上方近距煤层 (2-1中)反程序开采问题,做了仿真研究,得出下层 2-2上煤房柱开采后,煤柱稳定,能保持顶板的完整性,可以实施2-1中煤的反程序开采;2-1中煤长壁开采过程中,底板稳定,不影响正常安全开采。

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[9]钱鸣高,石平五 .矿山压力与岩层控制 [M].北京：煤炭工业出版社,2003.

[责任编辑：邹正立]

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

国家科技支撑计划项目(2007BAD29B02);山西省科技攻关项目(200631118-02);山西省自然科学基金(200601047)联合资助

顾铁凤 (1961-),女,辽宁北镇人,硕士,副教授,从事工程力学的教学科研工作。