顺槽保护煤柱上覆岩层破断规律的数值模拟研究

李辉峰

(1.太原理工大学矿业工程学院,太原 030024;2.潞安矿业集团余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046103)

顺槽保护煤柱上覆岩层破断规律的数值模拟研究

李辉峰1,2

(1.太原理工大学矿业工程学院,太原 030024;2.潞安矿业集团余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046103)

为了进一步研究煤柱上覆岩层的破断规律以及条带煤柱破坏失稳机理和过程,运用数值分析手段,建立煤柱两侧巷道开挖以后工作面开采前的数值模拟模型以及工作面开采后,煤柱上覆岩层破断后向下的跨落角为+60°、-60°时(双侧采动)的数值模拟模型;通过分析以上各模型条件下岩层的应力及位移变化规律,并且沿巷道顶板处取关键路径并对路径上各点的位移以及应力进行综合分析,得出顺槽煤柱上覆岩层压力显现特征。

保护煤柱;垮落;破断;数值模拟

条带壁式开采法在我国煤炭开采过程中创造了巨大的经济和社会效益,随着生产规模的扩大和国家可持续发展战略的提出,我国正面临着开发资源和保护环境的双重挑战,以丢失资源和牺牲环境为代价的传统开采方式必须改变,我们必须进一步研究煤柱上覆岩层的破断规律以及条带煤柱破坏失稳机理和过程,以实现在保护环境的同时有效合理地利用煤炭资源。

1 顺槽煤柱上覆岩层跨落失稳过程及机理

工作面上覆岩层受工作面开采的影响,由于煤层上部直接顶与老顶的结构特征的差异性,当煤层开采过后,煤层上部岩层的跨落失稳特征具有很大的差异,使得顺槽围岩的矿压显现特征也不尽相同。进而使得顺槽煤柱压力呈现出不同的特点。

煤层顶板岩层通常为泥岩、泥质页岩、沙质泥岩等,其分层厚度较小,强度及刚度较低,在工作面开采的影响下易发生破碎,一旦悬露则易发生不规则冒落;老顶岩层通常为砂岩、石灰岩等,其分层厚度较大,强度及刚度较高,在工作面开采的影响下不易发生破碎,而是破断为较大的板块体,板块体体积的大小与老顶岩层的厚度、岩性、距煤层高度及直接顶的厚度等有关,老顶悬露之后可能形成砌体梁式的平衡结构,结构失稳后则呈现为规则垮落状态[1-4]。

上覆岩层老顶的断裂位置决定着采空侧顶板岩层的结构特征,从而决定着顺槽煤柱的矿压显现特征。依据层状岩层的断裂特征,老顶岩层断裂位置可概括为以下三种情况,断裂位置处于采空区侧、断裂位置处于煤体内(煤柱上方直接顶未完全跨落)、断裂位置处于煤体内(煤柱上方直接顶完全跨落)。

当煤层上部直接顶岩层是由碎胀系数较高的岩体(如砂质粘土和中硬岩石等)组成,且工作面宽度较小时,下部煤层开采结束后,直接顶发生不规则冒落,由于老顶可以及时有效地接触到冒落体上,故老顶岩层的弯曲回转角较小,老顶的断裂位置将处于煤柱上方,开采初期,工作面端头尾未完全垮落,靠近顺槽煤柱上方直接顶垮落及断裂形式见图1—图2。

图1 老顶断裂位置处于采空区侧Fig.1 Fracturing position of main roof at goaf

图2 断裂位置处于煤体内(煤柱上方直接顶未完全跨落)Fig.2 Fracturing position in coal body (the direct roof does not collapse completely)

当煤层上部直接顶岩层是由孔隙率较大的岩体(如泥岩,砂岩,泥灰岩等)组成,且工作面宽度较大,采高较高,尤其是采用高放顶煤采煤方式进行开采时,煤层上部的冒落带未能有效及时地填充采空区,使得处于弯曲下沉带中的老顶岩层其弯曲回转角较大,老顶的断裂位置将处于采空侧,工作面推过后,顺槽煤柱老丁断裂位置逐步往煤柱上方移动,垮落后形成见图3。

图3 断裂位置处于煤体内(煤柱上方直接顶完全跨落)Fig. 3 Fracturing position in coal body (the direct roof collapses completely)

2 计算模型的建立

为了便于分析,建立开采前、+60°跨落(双侧开采)、-60°跨落(双侧开采)三个模型进行分析,见图4—图6。三个模型其基本参数都设置相同:模型长100 m,高为64.7 m,巷道宽5 m,高5.18 m,为保证在模拟过程中不出现煤柱破坏情况,煤柱宽度为30 m。

图4 开采前单元划分图Fig.4 Unit division diagram before mining

图5 +60°跨落单元划分图(双侧开采)Fig.5 Collapsing unit division diagram with +60 degree (bilateral mining)

图6 -60°跨落单元划分图(双侧开采)Fig.6 Collapsing unit division diagram with -60 degree (bilateral mining)

边界条件:模型底部铅垂方向0位移约束,两侧边界水平方向0位移约束;模型施加重力载荷并在上边界施加均布载荷。上部受竖直向下的应力为6.25 MPa。

岩层分布特征和材料的主要力学参数,如表1、表2所示。

表1 岩层分布特征

表2 材料的主要力学参数

3 计算结果分析

图7,图8分别为开采前水平应力云图、开采前竖向应力云图。

图7 开采前水平应力云图Fig.7 Horizontal stress nephogram before mining

图8 开采前竖向应力云图Fig.8 Vertical stress nephogram before mining

分析图7、图8可知,在巷道开挖后,工作面未开采前,其水平及竖向应力呈对称分布,最大水平应力发生在巷道靠近煤壁的顶、底板处,最大水平应力为5 MPa,最小水平应力出现在巷道顶底板处,最小水平应力为4.25 MPa;巷道主帮(靠近工作面侧)上下隅角处出现应力集中现象,此处竖向应力最大,其值约为19.4 MPa,最小竖向应力出现在顺槽煤柱靠近巷道两侧,其值为2.74 MPa,沿着煤柱宽度方向呈逐渐增大趋势,由2.74 MPa到5.12 MPa,再到7.51 MPa(接近原岩应力7.33 MPa)。

图9为沿巷道顶板取关键路径其上应力的分布曲线,可知,煤柱在巷道开挖后,工作面未开采前,其竖向应力、水平应力呈对称分布,剪应力呈反对称分布。水平应力在巷道两帮分布较集中,最大水平应力分布在巷道副帮一定范围之内,最大值接近6 MPa,在巷道顶板处出现水平拉应力,最大拉应力为4 MPa;最大剪应力出现在巷道主帮(靠近工作面侧)位置处,最大值为5 MPa;最大竖向应力出现在巷道主帮位置处,其值为12.6 MPa,顺槽煤柱上竖向应力分布呈马鞍状,巷道顶板处出现拉应力,最大拉应力为2 MPa。中间约有10 m的弹性核。

图9 开采前沿巷道顶板取关键路径其应力分布曲线Fig.9 Critical paths and stress distribution along roof before mining

双侧开采上部岩层跨落后呈+60°沿巷道顶板取关键路径其应力分布曲线,见图10。分析图10,可知上覆岩层发生跨落后,其竖向应力、水平应力呈对称分布,剪应力呈反对称分布。水平应力较小,最大水平应力为2 MPa;最大剪应力出现在巷道两帮的位置处,最大值可达3.5 MPa;最大竖向应力出现在巷道两侧,最大竖向应力值为10 MPa,顺槽煤柱上竖向应力分布呈马鞍状,沿煤柱宽度呈对称分布。两侧巷道顶板处竖向应力最低,其值约为0.5 MPa。顺槽煤柱上出现约5 m宽度的弹性核。

图10 双侧开采上部岩层跨落后呈+60° 沿巷道顶板取关键路径其应力分布曲线Fig.10 Critical path and stress distribution along roof after upper strata collapsing with +60 degree of bilateral mining

图11 双侧开采上部岩层跨落后呈-60°沿巷道顶板 取关键路径其应力分布曲线Fig.11 Critical paths and stress distribution along roof after upper strata collapsing with -60 degree of bilateral mining

图11为双侧开采上部岩层跨落后呈-60°沿巷道顶板取关键路径其应力分布曲线。分析图11,可知上覆岩层发生跨落后,其竖向应力、水平应力呈对称分布,剪应力呈反对称分布。水平应力在巷道两帮分布较集中,最大水平应力分布在巷道两帮处,其值超过7 MPa,巷道顶板处出现水平拉应力,最大值接近6 MPa,顺槽煤柱上方水平应力均为压应力,煤柱两侧边缘处水平应力较大;最大剪应力出现在巷道两帮,最大值可达6 MPa;最大竖向应力出现在巷道两帮位置处,最大值为15 MPa,顺槽煤柱上竖向应力分布呈马鞍状,由于开采后上覆岩层跨落的影响,顺槽煤柱上的靠近下采区侧的最大竖向应力值(15 MPa)较上区段开采侧的最大竖向应力值(9.8 MPa)偏大,说明开采后上覆岩层的跨落对顺槽煤柱上竖向应力的分布产生了很大的影响,两侧巷道顶板处均出现拉应力,最大拉应力值约为3 MPa。顺槽煤柱上出现约6 m的弹性核,弹性核内煤柱竖向应力较原岩应力有一定的升高。

4 结论

1)顺槽开挖后,由于硐壁处的径向应力减小,切向应力增大,使得顺槽煤柱边缘出现了一定范围的塑性区和松动区,根据数值分析可知塑性区的分布范围为距离煤柱边缘3 m～5 m处。上覆岩层跨落后可形成三种稳定的结构模型,在不同的结构模型条件下,煤柱的塑性区和松动区的范围也有一定的差别,以-60°模型时塑性区和松动区范围较小。

2)由于煤层上部直接顶和老顶的结构差异、组成差别、工作面宽度、采高及岩层力学性质等的不同,导致了上部岩层在开采过程结束后,其跨落失稳特征具有很大的差异,进而使得顺槽煤柱上的压力显现不同的特征。

3)通过对不同情况下顺槽煤柱的受力分析可知,水平应力和剪应力对顺槽煤柱的受力状态有较大的影响,因此在对煤柱进行受力分析时,不可忽视其对煤柱稳定性的影响。

[1] 徐永圻. 采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.

[2] 杨双锁.回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[3] 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.

[4] 孙淼.松软厚煤层长壁综放工作面顺槽稳定性控制理论技术研究[D].太原:太原理工大学,2010.

NumericalSimulationonFracturingLawofOverlyingStrataofProtectiveCoalPillars

LIHuifeng1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.YuwuCoalCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi046103,China)

To further study the fracturing law of overlying strata as well as the mechanism and process of failure and instability of strip coal pillars, we established two numerical simulation models of mining face before and after mining, respectively. The latter model is about the bilateral mining with caving angles (+60 degree and -60 degree) after the overlying strata fracturing. On the analysis of stress and displacement of the two models, we could select the critical paths and then studied the displacement and stress of each point on the paths along the roof. Finally, the synthetic analysis achieved the pressure behavior of the overlying strata of the coal pillars.

protective coal pillars;collapsing;fracturing;numerical simulation

1672-5050(2017)02-0004-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.002

2016-11-06

李辉峰(1976-),男,山西长治人,工程师,在读工程硕士,从事采矿工程相关的技术与管理工作。

TD322

A

(编辑:武晓平)