上行开采层间岩层移动规律数值模拟实验研究

仲 丛 明

(山西省第三地质工程勘察院，山西 榆次 030620)

上行开采层间岩层移动规律数值模拟实验研究

仲 丛 明

(山西省第三地质工程勘察院，山西 榆次 030620)

采用FLAC3D有限差分法分析软件模拟了白家庄煤矿上行开采的过程，通过改变层间岩层组合情况形成不同的数值模拟模型，计算分析上行开采前后层间岩层应力变化规律，在此基础上，进一步研究下、上煤层开采前后层间岩层的移动变形规律，最后通过层间岩层的力学关系及移动变形情况分析不同模型上行开采的可行性，与传统上行开采可行性理论判定结果及生产实际一致。

上行开采，FLAC3D，数值模拟，层间岩层，岩层移动

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美国Itasca公司基于拉格朗日差分法研发推出的连续介质力学分析软件。其将拉格朗日法应用于固体力学中，来模拟岩土或其他材料构建的结构体的性能[1,2]。本文应用FLAC3D模拟白家庄煤矿上行开采层间岩层的大变形和时效性变形，进而对上行开采的可行性及开采过程中层间岩层移动规律进行分析，对煤矿的上行开采提供理论指导与技术支持。

1 工程基本情况

表1 6号煤顶底板物理力学参数表

2 模拟方案及模型

以上行开采工作面实际情况为基础摩尔—库仑(Mohr-cloulomb)计算模型，采用自由垮落法管理顶板，设置监控点监控不平衡力及位移量(监控点布置见图2)。模型方案一长220 m，高度48.4 m，两侧各预留20 m煤柱，8号煤采高2.0 m，6号煤采高1.7 m，走向长180 m，层间岩层厚27.6 m，在8号煤开采后6号煤采取循环进刀的方式，每采10 m为一计算单元(见图3)。模型方案二在方案一的基础上将层间岩层的厚度减少为10.3 m，计算条件与方案一相同，具体计算模型见图4。

3 计算结果及分析

3.1 模型层间岩层应力分析

在下层煤层开采后，压应力向两侧煤柱和围岩转移，使层间岩层压应力自上而下逐渐减小，直至压应力为零或转为拉应力[3,4]；上行开采是在下层煤开采岩层垮落稳定后开采上部煤层，所以其应力变化主要与上层煤采动有关[5]，上层煤开采破坏了原采空区上覆岩层的平衡状态，使压应力再次向两侧移动[6,7]。图4为各监控点压应力随上行开采推进的变化曲线，上层煤采煤面未到达监控点时，该处压应力上大下小。此时下部监控点临近下层煤采空区，层间岩层存在梁结构，支撑上覆岩层压力，采空区稳定性未受破坏。随着上层煤采煤面的推进，上层煤应力影响范围扩大到监控点位置，上行开采造成的应力变化开始对监控点起作用，该过程持续到采煤面经过，在曲线上变化为先增大，采煤面经过后应力临空释放突然变小。

3.2 模型层间岩层的移动变形分析

图5为未进行上行开采时各岩层位移量，越临近下层煤采空区，位移量越大；岩层的位移量从煤柱向采空区中心位置逐渐增大，但是位移增量减小，呈沉陷盆地状；各岩层最大位移量均出现在下层煤采空区中部，其中上层煤顶板位移量最小，为19 cm，下层煤顶板位移量最大，为23 cm，部分岩层出现离层现象，最大离层量为4 cm；最大位移量(23 cm)远小于下层煤采高(2 m)，可见此时层间岩层结构完整，未出现明显破断及垮落现象。

图6为监控点Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ点Z方向位移随上层煤采煤面推进变化曲线图。采煤面距离监控点较远时，在应力作用下岩层整体下移，但未出现离层和分带现象；当上层煤采煤面前的集中压应力带到达监控点上部时，层间各岩层在应力作用下的位移量出现差异；Ⅰ点上层煤基本顶，在上层煤采面经过后，位移量变大，在未采取支护措施的情况下产生垮落；Ⅱ点(2.5 m石灰岩)在上层煤采面经过后位移量停止变化，说明此时该层主要在层间岩层中传递横向应力，形成梁结构出现，有效的阻止上覆岩层下落，将应力向前后柱脚传递，为控制层；Ⅲ点和Ⅳ点位于控制层下方，位移量依次增大，说明上行开采在过程中层间岩层离层量进一步加大，虽然有控制层存在，但是控制层下部岩层仍然会向下移动；随上行开采的进行，各岩层位移量进一步加大，但增量减小，逐渐进入新的稳定状态，可见控制层的存在有效的阻止了上覆岩层应力的向下传递，控制层之上的岩层有控制层支撑不再向下移动，其下部岩层在稳定破坏后，由于不再接受上部岩层的压力而转为稳定，所以控制层在上行开采过程中起到了关键作用。

图7为各岩层在上行开采结束后的最大位移量，其中34.5 m线位移量较小，与下部岩层分离，根据前文分析，该层应为控制层；上行开采后控制层最大位移位置出现在140 m处，而其下部的岩层最大位移的位置在120 m处，这是由于上行开采造成的集中应力主要由控制层承担，而下部岩层受影响相对较小；9.8 m线与28.9 m线的位移曲线近乎平行，与控制层相差较多，说明在这之间的岩层是整体移动的，主要在自重及水平方向应力作用下移动；39.4 m线为上层煤顶板，上层煤采动后发生垮落，说明上行开采后上覆岩层运移规律与普通开采覆岩运移规律总体相似。

3.3 上行开采可行性分析

根据数值模拟分析，该模型上行开采中上层煤底板2.5 m石灰岩与其下部岩层发生离层，但自身为稳定平衡状态，起控制层作用。在实际开采中，在6号煤层向8号煤层钻孔，孔深27.6 m，达到长壁采空区，8号煤层回采之后，冒落带岩层破坏，裂隙带层理和节理有所改变，在6号煤层底板控制层2.5 m石灰岩底部未见裂隙，6号煤层的整体性没有遭到破坏，可进行上行开采，数值模拟分析结果与实际情况较为吻合。

图8为方案二未进行上层采动时Z方向应力云图，该模型6号煤层处于拉应力区域范围内，层间岩层不承受上部岩层传递的压应力，煤层失去其下部岩层的支撑力，考虑到大型采煤机械的自重与动力作用、开采过程中的支承压力有限和岩层的不稳定性，层间岩层会遭到破坏，故该模型不可上行开采。根据“三带”理论，此模型上层煤处于下层煤采空区冒落带范围内，按传统可行性理论判定为不可上行开采，与数值模拟分析结果吻合。

4 结语

1)通过数值模拟对实际工程的上行开采围岩应力、位移情况的分析表明，在选取了正确计算参数和计算模型的前提下，应用FLAC3D软件研究上行开采是可行的，可以获得与实际开采较吻合的移动变形规律。2)层间岩层在上层煤开采之前压应力增大，上层煤采过后短时间内压应力急剧减小，而后随上层煤顶板的垮落逐渐增加，直至岩层组重新稳定，压应力总体呈现大—小—大的变化趋势。3)上行开采后，层间各岩层移动量并不相同，其中控制层移动量最小，其下部岩层仍会向下移动，移动量大于控制层，该移动过程逐渐减缓，直至稳定状态。4)上行开采破坏了层间岩层的稳定性，主要原因归结于采煤前进方向即采煤工作面前的应力集中现象，若层间岩层能够承受前方支承压力，并且能承受上层煤顶板垮冒的作用力，即层间岩层控制层始终以一整体结构出现，不产生大的破断垮冒现象，那么上行开采可行。

[1] 谢和平，周宏伟，王金安.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(4):397-401.

[2] 韩应法，黄玉凯.FLAC3D在宝日希勒露天煤矿应用分析[J].神华科技,2010(8):27-29.

[3] 马立强，汪理全，张东升，等.近距离煤层群上行开采可行性研究与工程应用[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2007(4)：56-57.

[4] 彭苏萍,凌标灿,郑高升，等.采场弯曲下沉带内部巷道变形与岩层移动规律研究[J].煤炭学报,2002,27(1)：21-25.

[5] 冯国瑞，闫永敢，杨双锁，等.长壁开采上覆岩层损伤范围及上行开采的层间距分析[J].煤炭学报，2009，34(8):1032-1036.

[6] 石永奎,莫 技.深井近距离煤层上行开采巷道应力数值分析[J].采矿与安全工程学报,2007,24(4):473- 476.

[7] 肖同强,樊克恭.上行开采上覆岩层运动规律及可行性研究[J].实验研究(煤)，2007，16(7):7-10.

Ascendingminingandmiddlestrata’smovingrulenumericalsimulationexperimentalresearch

ZHONGCong-ming

(TheShanxiProvincialThirdInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Yuci030620,China)

In this paper, the process of upward mining in Baijiazhuang mine is analyzed by the simulation function in FLAC3Dsoftware， the variation of rock pressure before and after upward mining is calculated and analyzed by means of numerical simulation model, and then the deformation and movement of middle strata before and after mining the upper and lower coal are further studied. Finally, the simulation results of studying the rock layer’s mechanical relationship and deformation condition is the same with actual mining.

ascending mining, FLAC3D， numerical simulation， rock strata between coal seams， strata movement

1009-6825(2014)33-0072-03

2014-09-17

仲丛明(1983- )，男，硕士，助理工程师

TD823.2

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