基于有限元數(shù)值模擬的頂板破壞高度研究

襲俸加 張海濤 司鳳霞

摘 要：針對陽泉礦區(qū)15#煤頂板破壞進(jìn)行研究，可以為煤礦的安全生產(chǎn)提供有效信息。通過對研究區(qū)15#煤頂板樣品進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究，得出15#煤頂板不同巖性巖石的力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算15#煤開采頂板破壞高度及其對上覆老空積水區(qū)的影響。結(jié)果表明：15#煤上方巖層主要為K2灰?guī)r及泥巖，其抗剪強(qiáng)度為1.18～1.21MPa;綜合數(shù)值模擬的結(jié)果，15#煤層開采片區(qū)在平均采厚為6.8m時(shí)，覆巖層垮落帶的最大高度應(yīng)取為31m，導(dǎo)水裂隙帶的最大高度取76m。

關(guān)鍵詞：陽泉;15#煤頂板;巖石力學(xué)性質(zhì);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD327 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）04-0112-03

Study on Roof Failure Height Based on Finite Element Numerical Simulation

——A Case Study of 15#Coal in Yangquan Mining Area

XI Fengjia ZHANG Haitao SI Fengxia

（School of Resources and Civil Engineering， Suzhou University，Suzhou Anhui 234000）

Abstract： The research on roof failure of 15# coal in Yangquan mining area can provide effective information for safe production of coal mine. The mechanical properties of 15# coal roof samples in the study area were experimentally studied. The mechanical parameters of different lithologic rocks in 15# coal roof were obtained. Then the failure height of 15# coal roof and its influence on the overlying old goaf water accumulation area were calculated by numerical simulation. The results showed that the strata above 15# coal were mainly K2 limestone and mudstone， and their shear strength was between 1.18 and 1.21MPa. Comprehensive numerical simulation results showed that when the average mining thickness of 15# coal mining area was 6.8m， the maximum height of overburden caving zone should be 31m， and the maximum height of water-conducting fracture zone should be 76m.

Keywords： Yangquan;15# coal roof;rock mechanical properties;numerical simulation

陽泉礦區(qū)是國內(nèi)最大的無煙煤生產(chǎn)基地[1，2]，主采煤層為15#、12#、3#煤層。煤層頂板穩(wěn)定性研究中，頂板巖層中各類巖石的力學(xué)性質(zhì)是相當(dāng)重要的組成部分?；诖?，本文以陽泉地區(qū)15#煤頂板巖石為研究對象，在對其進(jìn)行系統(tǒng)的常規(guī)物理性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，對巖石樣本進(jìn)行單軸拉壓、壓縮變形等試驗(yàn)，并計(jì)算出彈性模量及泊松比等力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，再對得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，以期為陽泉地區(qū)15#煤礦的開采支護(hù)等提供相關(guān)信息。

1 陽泉礦區(qū)地質(zhì)概況

陽泉礦區(qū)位于山西省沁水盆地，走向長156km，傾向?qū)?6km，面積約2 500km2[3，4]。該區(qū)含煤地層主要有山西組和太原組，所要研究的15#煤礦位于太原組，是礦區(qū)埋藏最深、厚度最大全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。15#煤層平均厚度為6.8m，由礦區(qū)含煤地層綜合柱狀圖可知，煤礦頂板巖石主要組成成分為K2灰?guī)r及泥巖。

2 巖石力學(xué)試驗(yàn)及結(jié)果

影響巖石穩(wěn)定性的因素一般有力學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)兩種，本文主要研究力學(xué)性質(zhì)并進(jìn)行試驗(yàn)分析，從而為礦區(qū)15#煤頂巖層的開采穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)資料。巖石的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)通常包括抗剪試驗(yàn)、單軸拉壓試驗(yàn)和泊松比、彈性模量測定等[5]。最終試驗(yàn)得到的結(jié)果如表1所示。

3 15#煤頂板破壞高度研究

3.1 數(shù)值模型建立與參數(shù)選取

在充分收集、分析礦區(qū)現(xiàn)有頂板破壞資料的基礎(chǔ)上，主要采用有限元程序模擬計(jì)算15#煤開采頂板破壞高度及其對上覆老空積水區(qū)的影響。本模型為沿工作面走向的垂直剖面，邊界條件采用左、右邊界鉸支，底邊界固定的方式，上部施加相當(dāng)于上覆巖土層自重（10.6MPa）的補(bǔ)償荷載;簡單建立的工程地質(zhì)物理模型，模型長度450m，縱向最大尺寸60m。單元?jiǎng)澐忠运墓?jié)點(diǎn)等參元為主，單元形狀以矩形為主，加以少量退化三角形單元，共劃分單元3 665個(gè)，節(jié)點(diǎn)11 024個(gè)。同時(shí)，模擬所需的參數(shù)以表1為主。

3.2 參數(shù)化模擬及結(jié)果分析

3.2.1 采場上覆巖層移動(dòng)規(guī)律。此次數(shù)值模型主要討論開采15#煤層平均厚度6.8m，推進(jìn)120m（走向）時(shí)巖體內(nèi)應(yīng)力、變形和位移情況。當(dāng)達(dá)到一定的采空時(shí)，在拉應(yīng)力以及剪應(yīng)力的共同作用下，煤層頂板發(fā)生由下向上逐步傳遞的開裂、塌陷變形。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)開采120m、采厚為6.8m時(shí)，頂板巖層的下沉值最大為5.68m，隨著采厚的加大，這種差異慢慢減弱。水平方向的位移趨勢是對著采空區(qū)中心方向移動(dòng)，采空區(qū)水平位移最大處在采空區(qū)兩側(cè)方向的地表。對于開采120m、采厚6.8m時(shí)，頂板巖層最大水平移動(dòng)值為1.49m。

3.2.2 采場上覆巖層應(yīng)力變化特征。接下來，專門研究推進(jìn)120m、采厚6.8m煤頂板上方巖層內(nèi)的最大剪應(yīng)力、主應(yīng)力及有效應(yīng)力分布特征，如圖1所示。通過分析可知，在采空區(qū)的外側(cè)上沿存在最大剪應(yīng)力為7.04MPa，采空區(qū)的外側(cè)下沿存在最小剪應(yīng)力為2.1MPa。有效應(yīng)力與剪應(yīng)力基本相同，所不同的是有效應(yīng)力最大為13.37MPa，最小為2.7MPa。開采之后的最大主應(yīng)力大約在采空區(qū)外側(cè)兩邊向上45°。最大壓應(yīng)力為2.24MPa，最大拉應(yīng)力為5.38MPa;開采之后的最小主應(yīng)力大約在采空區(qū)外側(cè)的兩邊，最大壓應(yīng)力19.47MPa，最大拉應(yīng)力0.28MPa。

通過礦區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征的分析，并結(jié)合具體工作面的地質(zhì)采礦條件，經(jīng)數(shù)值模擬分析確定工作面15#煤層在采厚6.8m時(shí)導(dǎo)水裂縫帶高為73m。

綜合數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，陽泉礦區(qū)15#煤層在采厚為6.8m時(shí)，覆巖層垮落帶的最大高度不得超過31m，導(dǎo)水裂隙帶的最大高度不得超過76m。分析鉆孔綜合柱狀圖可知，導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到最大高度時(shí)會(huì)到達(dá)8#煤層頂板，導(dǎo)通8#煤層至15#煤頂板間的各砂巖與灰?guī)r含水層。若先行開采15#煤，會(huì)對8#煤與12#煤開采造成影響;如果先行開采8#煤與12#煤后再開采15#煤，也可能造成15#煤工作面涌水量增大，建議詳查后再進(jìn)行設(shè)計(jì);對于3#煤層尚無構(gòu)成威脅。

而在開采過程中預(yù)測15#煤開采涌水量仍然是必要的，若預(yù)測水量不大，設(shè)計(jì)與完善工作面防排水系統(tǒng)即可滿足安全生產(chǎn)需要;當(dāng)預(yù)測水量過大時(shí)，應(yīng)該先對頂板水采取提前疏放的措施，防止發(fā)生涌水造成工程事故。

4 結(jié)論

在系統(tǒng)地對陽泉地區(qū)15#煤頂板不同巖性巖石進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行參數(shù)化模擬計(jì)算，取得了如下結(jié)果。

①陽泉地區(qū)15#煤開采區(qū)域其頂板巖石主要由K2灰?guī)r及泥巖組成。

②頂板巖石抗剪強(qiáng)度為1.18～1.21MPa，抗拉強(qiáng)度為0.28～0.46MPa，泊松比為0.24～0.35，彈性模量為0.28～0.36。

③綜合數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)公式分析的結(jié)果，15#煤層開采片區(qū)在平均采厚為6.8m時(shí)，覆巖垮落帶高度的最大值應(yīng)取31m，導(dǎo)水裂隙帶高度的最大值取76m，而開采涌水量需要另行計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

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