新河矿厚砂岩层变形移动数值模拟研究

2015-09-07陈贵阳

河南科技 2015年3期

陈贵阳

（潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治046031）

新河矿开采的1-1煤层属于易自燃特厚煤层，井田内距离1-1煤层顶板上方约16.33m远处有一层平均50m厚的厚砂岩层。综放开采时，上覆厚砂岩层随采面推进可能会出现大面积悬顶，当悬顶面积达到一定值时会突然性断裂和大面积垮落，有可能导致矿震、冲击地压等矿山动力现象。目前矿井正开采22131综放工作面。22131综放工作面位于22采区下山西翼，工作面西部为井田边界煤柱，东部为22采区下山煤柱，北邻已采的22121工作面，南邻未采22161工作面。地面为低山丘陵，地面起伏较大，地面无大的水体和建筑物[1]。

1 数值模拟的目的和方案

数值模拟分析以现场地质条件和生产技术为基础，针对22141综放工作面围岩地质条件，结合22141综放工作面煤岩体物理力学参数测试结果，模拟工作面不同推进距离围岩的力学特征，模拟工作面向前推进距离分别为30m、60m、90m、120m时工作面围岩移动规律及巨厚坚硬砾岩层变形失稳模式和破断失稳破坏演化规律，找出可能诱发冲击地压的信息[2]。分析工作面在推进过程中的应力分布情况，找出高应力集中区域，从而对这些区域采取重点防治，对工作面预防冲击地压发生具有重要的指导意义。

2 计算模型的建立及参数选取

本部分关系到计算的合理性、可靠性和精确性。平面模型要求包含极限稳定断面，以便计算结果能增加工程稳定设计的可靠性；模型要有可靠的边界条件，即满足地质条件和生产实践上的要求。根据22141综采工作面围岩实际地质条件及生产情况，依据22141综采工作面地质综合柱状图，建立数值模拟计算模型如图1所示。模型长宽高为250m×150m×87.4m，回采面从距模型左边界40m处开始向右方向推进，工作面两边各留50m保护煤柱。

本数值模拟岩石力学参数的选取参照22141综采工作面煤岩物理力学实验得出的煤岩块的力学参数。表1为各岩层的参数。

3 模拟结果及分析

3.1 工作面不同推进距离时水平应力分布规律结果分析

为了研究工作面前方煤体内水平力分布及影响范围，对工作面设置200m长的监测曲线，监测曲线位于采空区顶板上方0.5m处，具体应力分布情况如图2所示。从图2中可以看出，随着工作面的向前推进，工作面前方支承压力影响范围增大，最大水平应力值增大，最大水平应力值向工作面前方转移，这是因为上部厚砂岩层的存在，厚砂岩层不跨落，导致工作面上方顶板岩层内的水平应力得不到释放，使岩体内水平应力不断积聚。由上述分析可知，随着工作面的向前推进，最大水平应力有增大的趋势，采空区底板水平应力值影响范围增大。

3.2 不同推进距离时工作面前方支承压力分布规律结果分析

表1 岩体力学参数

图2 工作面前方水平应力分布规律

图3 工作面前方支承压力分布规律

图4 采空区顶板有下沉量与工作面推进距离关系

为了研究工作面前方煤体内垂直应力分布及影响范围，对工作面设置200m长的监测曲线，监测曲线位于采空区顶板上方0.5m处，具体应力分布情况如图3所示。从图3中可以看出，随着工作面的向前推进，工作面前方支承压力影响范围增大，最大垂直应力值增大，最大应力值向工作面前方转移，这是因为上部厚砂岩层的存在，厚砂岩层难以达到极限垮距，导致工作面上方顶板岩层内的应力得不到释放，使岩体内应力不断积聚。

由上述分析可知，随着工作面的向前推进，最大垂直应力基本保持不变，在工作面向前推进过程中，采空区底板前方有时会出现较高的垂直应力集中现象；采空区顶板由于破坏而处于垂直应力降低区。在工作面前方9～12m左右，出现高能量区域，在受到扰动时，很容易发生冲击危险。

3.3 工作面不同推进距离时垂直位移结果分析

如图4所示工作面不同推进距离垂直位移特征曲线。由图4可以看出，工作面向前推进90～120m时，最大垂直位移量在采空区上方，采空区上方5～25m范围的岩体有向下的位移量；工作面向前推进30～600m的过程中，采空区上方有向下位移量的岩体范围从采空区上方70m急剧增加到110m，上覆岩层活动剧烈；工作面向前推进120m之后，采空区上方有向下位移量的岩体范围基本保持不变。

由上述分析可知，随着工作面的向前推进，采空区顶板上方岩体产生下沉量的区域呈增大趋势，在工作面推进到60m以后采空区顶板有下沉量的岩层高度基本不变，如图4所示。这是由于厚砂岩层的存在，使得工作面推进到120m时，砂岩层仍不发生断裂。