上行开采厚硬层间岩层移动变形数值模拟分析

杨 逾 唐 凯 梁鹏飞

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新123000;2.阜新市公路工程质量与安全监督处，辽宁 阜新123000)

上行开采与层间岩层之间有着密切的联系，层间岩层的破坏情况是判定上行开采可行性的重要依据，上行开采也会对层间岩层产生二次影响。因此，只有充分认识上行开采与层间岩层的相互影响关系，尤其是在特定岩层条件下，层间岩层的移动变形和破坏规律，才能够更合理地对上部煤层进行开采，及时有效地采取相关措施，以保证上行开采的安全。大同矿区同家梁矿408 盘区12#煤层已开采完毕，现拟对其上部的8#煤层进行开采。深入研究2 个煤层之间层间岩层的移动变形规律以及破坏情况，对上行开采的安全进行具有重要意义。

1 模拟方案设计

1.1 工程背景

同家梁矿位于大同矿区向斜中段东南侧，上行开采区域主要集中在同家梁矿的408 盘区，此区域内的主要可采煤层为12#煤层和8#煤层，均为水平煤层。12#煤层埋深为363.5 m，平均开采厚度为3.0 m，现已开采完毕;8#煤层埋深为287.2 m，煤层平均厚度为1.3 m，准备采用上行开采的方法进行开采。

1.2 层间岩层特征

同家梁矿12#煤层与8#煤层之间的层间岩层厚度为67.37 ～82.70 m，平均约为75 m，主要包括粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩和夹杂的少量黑色泥岩，详见图1。

图1 8#煤层顶板及层间岩层综合柱状图Fig.1 Integrated histogram of 8#coal seam roof and rock layers

根据各层岩层的物理力学性质分析可知，层间岩层多为坚硬或极坚硬岩层。极坚硬岩层在采煤过程中给矿井造成很多灾害，煤炭开采后，煤层顶板大面积悬顶，当悬顶面积达到一定范围之后，会突然垮落，破坏下面的生产设备，造成地面沉陷，甚至发生小型矿震。

1.3 模型建立

根据实际开采情况，确定模拟计算模型的尺寸为800 m×400 m×370 m，共分17 层，其中开采工作面的大小为500 m ×140 m，上行煤层开采工作面对齐布置。

模型的前后面和左右面均施加水平约束，底部边界固定，顶部为自由边界，对水平和竖直位移均不进行约束。整个模型进行重力加速度设置，用来模拟由于材料自重而产生的应力效果，各层煤岩体均采用摩尔－库伦塑性模型进行模拟。层间岩层各层的物理力学参数见表1。

1.4 监测点的布设

在模型中部分岩层及煤层中分别布置测线和相应的监测点，沿模型的x 方向布设4 条测线，测线通过12#煤层采空区的中间位置，测线高度分别为30、50、70、81.5 m(8#煤层底板位置);测线每隔40 m 设置一个监测点，每条测线上共21 个监测点，详见图2。

表1 层间岩层物理力学参数Table 1 The mechanical parameters of rock strata between coal seams

图2 测线布置图Fig.2 Arrangement of the measured line

2 层间岩层移动变形模拟分析

2.1 竖向移动随上行开采推进距离变化的规律

下煤层采空区顶板垮落重新压实以后，上煤层才可以进行上行开采，所以上行开采过程产生的位移是下煤层开采产生位移的延续。8#煤层从x =150 m 位置开始推进，推进长度为500 m。分别对8#煤层推进10、50、100、200、300、400 和500 m 后的层间岩层竖向位移进行监测记录，根据各监测点数据，整理后得到各测线监测点随推进距离而变化的竖向位移曲线，具体见图3。

由图3 分析可知，监测点x =0 m 和x =80 m 位于12#煤层采空区对应位置的外部，随着8#煤层的推进，这2 点的竖向位移逐渐增加;监测点x=160 m 基本位于8#煤层工作面开切眼的正下方，其竖向位移随8#煤层的推进而越来越小，呈回升的趋势;监测点x=240 m、x=320 m 和x=400 m 均位于8#煤层的推进方向，8#煤层开始推进后，竖向位移随推进距离的增加而增大，但当推进位置接近监测点后，监测点的竖向位移开始减小，减小到一定数值后趋于稳定。

根据以上对各监测点竖向位移数据的分析，可以总结出层间岩层竖向位移随上行开采推进距离而变化的规律:上行开采过程中，位于上行开采推进位置后方对应的层间岩层，其竖向位移随上行开采推进而逐渐增大;位于上行开采推进方向的层间岩层，其竖向位移先增大后减小。

图3 层间岩层竖向位移随8#煤层推进距离变化规律Fig.3 The variation of rock strata's vertical displacement with 8# coal seam's advance distance

2.2 竖向位移随深度变化的规律

上行开采对层间岩层产生的影响与层间岩层的深度有直接联系，根据上行开采前后层间岩层竖向位移的变化曲线，分析上行开采对层间岩层的竖向位移产生的影响。上行开采前后竖向位移变化曲线(变化值＞0，表示相对开采前的回弹量;变化值＜0，表示相对开采前的下沉量)见图4。

由图4 分析可知，上行开采对采空区对应位置外部的区域影响较小，上行开采后，此部分层间岩层产生少量下沉;而下部采空区对应位置的上方，层间岩层竖向位移变化较大，上行开采后，层间岩层的竖向位移与上行开采前相比有回升的趋势，层间岩层的竖向位移变化量随着深度的增加而逐渐减小。

2.3 层间岩层破坏情况随深度变化的规律

图4 上行开采前后层间岩层竖向位移变化曲线Fig.4 The vertical displacement curve of rock strata before and after ascending mining between coal seams

上行开采以后，层间岩层不仅仅是竖向位移发生了变化，其岩层结构和稳定性也发生了变化，因此对开采前后层间岩层的塑性区域进行对比分析，从而分析上行开采对层间岩层产生的破坏影响。见图5 ～图8。

图5 z=30 m 剖面上行开采前后塑性区变化Fig.5 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=30 m section

由上各图对比分析，z =30 m 剖面层间岩层在上行开采前已有大面积单元发生了破坏或正在发生破坏，上行开采后，塑性单元并没有明显增加;z =50 m剖面层间岩层在上行开采前只有部分单元受到破坏，且零散分布，上行开采后，破坏单元明显增加，且破坏单元成片分布;z=70 m 剖面层间岩层上行开采前未发生明显破坏，上行开采后出现大面积破坏区域;8#煤层底板在上行开采前未发生明显破坏，但上行开采后，8#煤层底板全部被破坏。

图6 z=50 m 剖面上行开采前后塑性区变化Fig.6 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=50 m section

图7 z=70 m 剖面上行开采前后塑性区变化Fig.7 The variation of plastic zone before and after ascending mining at z=70 m section

图8 8#煤层底板上行开采前后塑性区变化Fig.8 The variation of plastic zone before and after ascending mining at 8# coal seam floor

根据以上分析可知，层间岩层在上行开采后又发生了二次破坏，破坏程度随岩层深度的增加而逐渐减小，当层间岩层足够厚时，下部的层间岩层将不会受到上行开采的影响。

3 结 论

(1)与采空区位置相对应的厚硬层间岩层竖向位移随推进距离的增加而先增大后减小;上行开采完毕后，该区域层间岩层的竖向位移相比开采前有少量回弹，回弹量随层间岩层的深度增加而逐渐减小;对应在采空区位置之外的层间岩层受上行开采影响较小。

(2)上行开采对层间岩层造成了二次破坏，破坏程度随层间岩层的深度增加而逐渐减小。因此，足够的层间岩层厚度是上行开采安全进行的必要条件之一。

［1］ 缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(1):1-14.

Miao Xiexing，Qian Minggao. Research on green mining of coal resources in China:current status and future prospects［J］. Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2009，26(1):1-14.

［2］ 冯国瑞.残采区上行开采基础理论及应用研究［D］. 太原:太原理工大学，2009.

Feng Guorui. Study on the Theory and Its Application of Upward Mining of Left-over Coal［D］. Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2009.

［3］ 仲丛明.垮落法残采区上行开采层间岩层移动变形规律数值模拟研究［D］.太原:太原理工大学，2011.

Zhong Congming.Research on Movement and Deformation Rules of Rock Strata between Coal Seams in Caving Method upward Mining of Left-over Coal with Numerical Simulation［D］. Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2011.

［4］ 郑 婧.晋华宫矿刀柱式残采区上行开采层间岩层移动变形规律研究［D］.太原:太原理工大学，2011.

Zheng Jing.Research on Rock Strata between Coal Seams Movement and Deformation in Pillar Ascending Mining of the Left-over Coal in Jinhuagong Mine［D］. Taiyuan:Taiyuan University of Technology，2011.

［5］ 钱鸣高，缪协兴.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2000.

Qian Minggao，Miao Xiexing. Key Strata Theory in Strata Control［M］. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2000.

［6］ 冯国瑞，张绪言，李建军，等. 刀柱采空区上方遗弃煤层上行开采可行性判定［J］.煤炭学报，2009，34(6):726-730.

Feng Guorui，Zhang Xuyan，Li Jianjun，et al. Feasibility on the upward mining of the left-over coal above goaf with pillar supporting method［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(6):726-730.

［7］ 王高利.厚硬顶板破断规律及控制研究［D］. 淮南:安徽理工大学，2008.

Wang Gaoli. Study on the Fracture Laws and Controlling of Thick and Hard Roof［D］.Huainan:Anhui University of Science ＆ Technology，2008.

［8］ 谢和平，周宏伟，等. FLAC 在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(4):397-401.

Xie Heping，Zhou Hongwei，et al. Application of FLAC to predict ground surface displacements due to coal extraction and its comparative analysis［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1999，18(4):397-401.

［9］ 曹胜根，姜海军，王福海，等. 采场上覆坚硬岩层破断的数值模拟研究［J］.采矿与安全工程学报，2013，30(2):205-210.

Cao Shenggen，Jiang Haijun，Wang Fuhai，et al. Numerical simulation of overlying hard strata rupture in a coal face［J］. Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2013，30(2):205-210.

［10］ 张宏伟，韩 军，海立鑫，等. 近距煤层群上行开采技术研究［J］.采矿与安全工程学报，2013，30(1):63-67.

Zhang Hongwei，Han Jun，Hai Lixin，et al. Study on closed multiple-seam in the ascending mining technology［J］.Journal of Mining＆ Safety Engineering，2013，30(1):63-67.

［11］ 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］. 徐州:中国矿业大学出版社，2003.

Qian Minggao，Shi Pingwu. Mining Pressure and Strata Control［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2003.

［12］ 冯国瑞，任亚峰，王鲜霞，等.采空区上覆煤层开采层间岩层移动变形实验研究［J］.采矿与安全工程学报，2011，28(3):430-435.

Feng Guorui，Ren Yafeng，Wang Xianxia，et al.Experimental study on the movement and deformation of rock strata between coal seams in the coal mining above gob area［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2011，28(3):430-435.

［13］ 王广利，海立鑫，李 明，等.清河门矿近距离煤层群上行开采技术［J］.辽宁工程技术大学学报，2009，28(S):19-21.

Wang Guangli，Hai Lixin，Li Ming，et al.Research of near range over mining of Qinghemen Coal Mine［J］.Journal of Liaoning Technical University，2009，28(S):19-21.