不同层数采空区岩层移动变形特征对比分析

张 元，武 剑

（1.晋城煤业集团古书院矿，山西 晋城 048000；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

不同层数采空区岩层移动变形特征对比分析

张 元1，武 剑2

（1.晋城煤业集团古书院矿，山西 晋城 048000；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

通过不同层数采空区条件下岩层移动变形特征的对比分析，为今后进一步分析采空区岩层移动对井筒破坏的影响奠定基础，为穿越采空区井筒的合理布置提供一个定性的指标。

岩层；移动变形；对比；分析

1 引言

近年来，随着我国浅部可开发煤炭资源的不断减少，深部煤炭资源的开采已成为今后我国煤炭行业的重要任务。而许多地区深部煤层的开发，面临着浅部煤层采空区带来的一系列理论和技术问题。为确定合理布置穿越采空区井筒的位置，本文运用ANSYS模拟软件对不同层数采空区条件下岩层移动变形特征做一个初步探讨，为穿越采空区井筒的合理布置提供一个定性指标。

2 单层采空区岩层移动变形特征分析

变形稳定的采空区对井筒稳定性无大的影响，但尚未稳定的采空区后续变形对井筒的稳定性的影响是必须掌握的。因此，以下对尚未稳定的采空区变形特征进行分析，以进一步分析其对井筒稳定性影响的特征机理。

分析目的：掌握未稳定单层采空区岩层移动特征，包括应力分布特征、变形分布特征，以确定采空区的存在可能对井筒稳定性造成的影响。

分析模型：长度150m，其中，实体煤部分80m，采空区部分70m；高度50m，采高6m，顶板岩层已发生垮落，但岩层移动尚未稳定，见图1。

模型离散：模型共划分15 505个单元，设置46925个节点。

边界条件：模型底部铅垂方向0位移约束，两侧边界水平0位移约束；模型施加重力载荷并在上边界施加均布载荷。

主要分析指标：采空区岩层进一步移动变形所产生的剪应力以及不均匀性变形是模拟研究需重点关注的内容。

分析方法：采用ANSYS有限元软件[1]，岩层材料力学模式为大变形模式。

图1 几何模型

图2 距离采空区30m时位移沿铅锤方向分布曲线

图3 距离采空区30m时应力沿铅垂方向分布曲线

结果表明：存在单层采空区时，实体煤内部15 m至采空区内部25m的范围内对应的岩层水平位移较明显。模型中最大水平位移达25 cm，发生在采空区上方顶板岩层，最大水平位移点和煤壁的连线与水平线夹角约70°。表明垂直位移在进入采空区内25m后达到最大值约1.3m，并趋于稳定。

图2和图3为距离采空区30m处位移、应力沿铅垂方向的变化规律。从中可以看出明显支承压力集中现象（最大纵向应力达19MPa，高于自重应力约13MPa），采空区对应高度区间，水平应力分布曲线中出现草帽状。

图4 距离采空区10m时位移沿铅垂方向分布曲线

图5 距离采空区10m时应力沿铅垂方向分布曲线

图4和图5为距离采空区10m处位移、应力沿铅垂方向的变化规律。从中可以看出，与距离采空区30m处相比，各曲线变化趋势相似，但支承压力集中现象更加明显，最大纵向应力达34MPa，高于自重应力约28MPa，即应力集中系数达5以上。

图6和图7为采空区边界处位移、应力沿铅垂方向的变化规律。从中可以看出，与实体煤中相比，此处应力和位移变化最为剧烈，支承压力集中程度最高，最大纵向应力达60MPa以上，高于自重应力约55MPa，即应力集中系数达10以上。

3 双层采空区岩层移动变形特征分析

分析目的：掌握未稳定双层采空区岩层移动特征，包括应力分布特征、变形分布特征，以确定双层采空区的存在可能对井筒稳定性造成的影响。

分析模型：长度160m，其中，实体煤部分80m，采空区部分80m；高度188m，模型中包含两层采空区，两层采空区被采煤层层间距46m，上层为刀柱式开采形成，埋深105m，下层为长壁式开采形成，埋深158m。上层采空区采高1.5m，顶板岩层由煤柱支撑，未发生垮落，但岩层移动尚未稳定；下层采空区采高6m，顶板岩层已发生垮落，但岩层移动尚未稳定。

图6 采空区边界处位移沿铅垂方向分布曲线

图7 采空区边界处应力沿铅垂方向分布曲线

模型离散：模型共划分8282个单元，设置25861个节点。

边界条件：模型底部铅垂方向0位移约束，两侧边界水平0位移约束；模型施加重力载荷，上边界无约束及载荷。

主要分析指标：采空区岩层进一步移动变形所产生的剪应力以及不均匀性变形是模拟研究需重点关注的内容。

分析方法：采用ANSYS有限元软件，岩层材料力学模式为大变形模式[2]。

和单层采空区结果相应分析对比得出：存在双层采空区时，两层采空区的影响产程叠加效应。岩层中水平应力存在着明显的不均匀性，采空区各尖角部位存在着较强的压应力集中区，下层采空区周围的矿压显现明显强于上层采空区。下层采空区边界上方岩层中有明显的水平拉应力区，最大拉应力达4MPa以上，是采空区顶板岩层断裂垮落的主要原因之一。铅垂应力在采空区边界处各煤壁中存在着较强的压应力集中区，下层采空区边界煤壁中的压应力集中程度较高，达11MPa以上，是采空区煤柱破坏的主要原因之一。在下层采空区边界处顶板岩层中的剪应力值最大，达5MPa以上，是采空区顶板岩层破坏的主要原因之一。

4 结论

综合以上关于层数不同采空区对岩层移动变形的影响，可得如下主要结论：

1）存在双层采空区时，两层采空区的影响产程叠加效应。岩层中水平应力存在着明显的不均匀性，采空区各尖角部位存在着较强的压应力集中区，下层采空区周围的矿压显现明显强于上层采空区。

2）实体煤中0～15m的范围以及采空区中0-25 m的范围水平位移较大，剪应力值也较大且分布不均匀，纵向应力存在明显分布不均现象，是采空区影响最为剧烈的范围。

[1]刘 涛，杨风鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社，2002.

[2]赵阳升.有限元法及其在采矿工程中的应用[M].北京：煤炭工业出版社，1994.

Contrast Analysis on Gob Rock M ovement and Deformation through Different Layers

ZHANG Yuan1,WU Jian2

(1.Gushuyuan Mine,Jincheng Coal Group,Jincheng Shanxi048000;2.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024)

Contrast analysis on rock movement and deformation in different gobs laid the foundation for further study on the influence of gob rock movement on shaft damage and provided qualitative indicator for the rational distribution of shafts in gobs.

rock;movement and deformation;contrast;analysis

TD325.2

A

1672-5050（2011）10-0039-03

2011-04-16

张 元（1984—），男，山西晋城人，本科，助理工程师，从事煤矿生产技术工作。

徐树文