刀柱采空区上行开采应力分布规律数值模拟_杨创前.pdf

第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 刀柱采空区上行开采应力分布规律数值模拟 杨创前 １， ２， 冯国瑞１， ２ （１．太原理工大学 矿业工程学院， 山西 太原 ０３００２４； ２．山西省绿色采矿工程技术研究中心， 山西 太原 ０３００２４） 摘要针对大同矿区刀柱采空区安全上行开采问题， 运用 ＵＤＥＣ 数值模拟软件研究了刀柱采 空区形成时和上行长壁开采过程中采场应力分布特征以及刀柱煤柱的塑性区分布规律。研究表 明 下煤层刀柱开采引起刀柱煤柱应力集中； 上行开采引起刀柱煤柱应力分布的进一步演化， 根 据各刀柱煤柱受采动应力的影响将其分为应力降低区、 应力升高区和应力稳定区； 主关键层初 次破断时， 超前位于上行工作面下方的刀柱煤柱应力峰值及塑性区分布范围达到最大。晋华宫 矿刀柱采空区上行开采底板位移观测情况验证了研究成果的可靠性。 关键词刀柱采空区； 上行开采； 应力分布； 塑性区分布； 主关键层 中图分类号TD323文献标志码A文章编号１００３－４９６Ｘ（２０２０）０５-0056-05 Numerical Simulation on Stress Distribution Law During Upward Mining in Wedge Pillar Mining Area YANG Chuangqian1,2, FENG Guorui1,2 （1.College of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.Research Center of Green Mining Engineering Technology in Shanxi Province, Taiyuan 030024, China） Abstract Aiming at the problem of safe upward mining of the wedge pillar mining area in Datong Mining Area, the stress distribution and plastic zone of the coal pillar before and during the upward mining were analyzed with UDEC numerical simulation software. The results showed that stress concentration of wedge pillar is induced by mining in lower coal seam. The further evolution of the stress distribution of the coal pillars was caused by upward mining. According to the influence of the mine-induced stress of each coal pillar, it’ s divided into the stress reduction zone, the stress rise zone and the stress stability zone. The maximum values of the stress peak and plastic zone distribution range in the ahead mining-induced pillar were obtained as soon as the initial breaking of the main key stratum. The observation of bottom displacement in the residual pillar mining area of Jinhuagong Mine verified the reliability of the research results in this paper. Key words wedge pillar mining area; upward mining; stress distribution; plastic zone distribution; main key stratum 大同矿区顶板坚硬完整[1-4]， 岩石试样单向抗压 强度一般可达 80～160 MPa， 20 世纪 5090 年代受 落后的支护条件限制，面对坚硬顶板的控制问题， 多数矿井使用留设煤柱支撑顶板的刀柱采煤法。这 一方法的运用在当时有效解决了开采期间顶板对采 场的威胁，但回采率偏低且前期留设的大量煤柱给 后期邻近煤层的开采带来困难[5-8]。国内外学者针对 垮落法采空区上行开采进行了大量的研究，取得了 丰硕的研究成果[9-14]。大同矿区过去使用刀柱采煤 法， 采宽 15～35 m， 刀柱煤柱宽 4～10 m 不等。 刀柱采 空区域仅直接顶发生部分垮落，基本顶及以上岩层 保持完整，其采动覆岩结构特征与长壁采空区截然 不同，用于指导长壁采空区上行开采的研究成果不 适用刀柱采空区上行开采。关于刀柱采空区上行开 采的研究相对匮乏， 文献[15-17]分别研究了上行开 采条件下层间岩层可形成的结构、稳定性，塑性区 分布和运动预测模型等。刀柱采空区上行开采是 1 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.05.011 杨创前， 冯国瑞．刀柱采空区上行开采应力分布规律数值模拟 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０２０， ５１ （５） 56-60. YANG Chuangqian, FENG Guorui. Numerical Simulation Study on Stress Distribution Law During Upward Mining in Wedge Pillar Mining Area［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （5） 56-60. 基金项目 国家自然科学基金联合基金重点资助项目 （U1710258） ； 国家自然科学基金面上资助项目 （51574172） ； 山西省中青年拔尖 创新人才资助项目 （2015- 02） 移动扫码阅读 56 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图1数值模型 Fig.1Numerical model 表1UDEC数值模型煤岩层物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of coal strata in UDEC numerical model 层位名称 块体 密度 / （kg m-3） 弹性模 量/GPa 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/ （ ） 抗拉强 度/MPa 切向刚度 / （GPa m-1） 黏聚力 /MPa 内摩擦 角/ （ ） 抗拉强 度/MPa 底板岩层2 65225.04.06373.6210.080.9350 下煤层1 4003.21.29260.931.290.2230 层间岩层2 42118.23.20342.767.280.5320 上煤层1 4003.21.29260.931.290.2230 软弱岩层 12 53321.63.82352.868.780.7330 亚关键层2 58628.86.31434.3712.201.3400 软弱岩层 22 65219.83.63322.788.110.6290 主关键层2 81127.65.20403.9811.521.1370 软弱岩层 31 8103.01.23240.861.150.2200 结构面 法向刚度 / （GPa m-1） 16.02 2.67 12.13 2.67 13.33 15.04 11.79 15.33 2.50 个动态过程，前述研究没有具体考虑上行采动应力 的影响，刀柱煤柱主要承担了上覆岩层的采动载 荷，确保刀柱煤柱的稳定性对实现安全上行开采至 关重要。因此，迫切需要研究刀柱采空区上行开采 条件下刀柱煤柱的应力分布演化规律。 1试验设计 把在岩体活动中起主要控制作用的岩层称为关 键层，关键层破断时，其上全部或局部岩层的下沉 变形协调一致[18]。 大量研究表明， 关键层在控制其上 软弱岩层运动的同时也影响了下方煤层支承压力的 分布[19-21]。以大同矿区刀柱采空区上行开采条件和 煤岩层力学实验数据为依据，将关键层控制的岩层 简化为软弱岩层， 运用 UDEC 建立数值模型。模型尺 寸设置为 300 m210 m （长高） ， 上煤层厚 2 m、 下 煤层厚 4 m， 上、 下煤层间距 50 m， 亚关键层距上煤 层 10 m、 厚度 6 m， 主关键层距上煤层 36 m、 厚度为 18 m， 其上为 90 m 厚的软弱岩层， 数值模型如图 1。 对模型左右边界和底部边界进行位移约束。为 消除边界效应，模型沿走向左右边界各留设 35 m 的边界煤柱， 模型可推进距离 230 m。 模型建立过程 中，分别在距下煤层顶板 1 m 处和距上煤层底板 1 m 处布置 2 条测线， 每条测线上设有 300 个测点， 以 实时监测刀柱采空区上行开采过程中上、下煤层应 力的变化。模型采用摩尔-库伦破坏准则， 岩层块体 和接触面的力学参数见表 1。 数值模拟试验过程中，先运用刀柱采煤法采下 煤层， 其中刀柱开采区域宽度 26 m， 留设刀柱煤柱 宽度 8 m，刀柱采空区开采完毕后上行长壁开采上 煤层。为方便讨论，将下煤层刀柱采空区中留设的 刀柱煤柱从左至右依次命名为一、 二、 三、 四、 五、 六 刀柱煤柱。 2 试验结果与分析 2.1 下煤层刀柱采空区形成时应力分布特征 下煤层刀柱开采引起应力重新分布，刀柱采空 区形成时下煤层的应力分布如图 2。 下煤层运用刀柱法开采，覆岩重力转移至刀柱 图2下煤层刀柱采空区形成时的应力分布特征 Fig.2Stress distribution characteristics of gob ation in lower coal seam wedge pillar 57 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 煤柱，引起刀柱煤柱的应力升高表现为应力集中。 其中，靠近刀柱采空区中央部分的刀柱煤柱受力大 于两侧，明显大于边界煤柱处。刀柱采空区域所受 压力接近零表现为卸压，应力集中区与应力卸压区 在水平方向上交替出现。下煤层应力分布由采动前 的原岩应力状态演化为新的波动平衡状态。 2.2 上行开采过程中应力分布演化特征 上行长壁开采破坏覆岩原有的平衡状态引起覆 岩运移，造成采场应力重新分布。刀柱采空区上行 长壁开采过程中关键层运动对采场应力分布演化规 律的影响如图 3。关于图中“上行开采前” 代表下 煤层刀柱采空区形成时测线 2 测得的下煤层应力分 布值，“上行工作面” 、“刀柱采空区”分别代表上行 长壁开采过程中测线 1、 2 测得的上、下煤层应力分 布值。 图 3 （a） 为上行工作面推进 80 m， 亚关键层初次 图3刀柱采空区上行开采应力分布演化规律 Fig.3Evolution law of upward mining stress distribution in goaf of wedge pillar 破断时的应力分布图。从图中可以看出上行工作 面超前支承压力峰值为 10.5 MPa，影响范围 37 m， 三、四刀柱煤柱受上行采动应力的影响，应力出现 明显升高， 应力峰值分别由上行开采前的 15.6、 15.5 MPa 升高到 20.8、 18.5 MPa。 位于上行工作面采空区 下的一、二刀柱煤柱应力减小，分别由上行开采前 的 14.6、 15.6 MPa 降低到 6、 9.9 MPa。 位于上行工作 面采动应力影响范围外的五、六刀柱煤柱应力变化 不大。 图 3 （b ） 为上行工作面推进 155 m， 主关键层初 次破断时的应力分布图。上行工作面超前支承压力 峰值为 13.9 MPa， 影响范围约 60 m。受上行采动应 力的影响， 五、 六刀柱煤柱应力明显升高， 应力峰值 分别由上行开采前的 14.6、 13.6 MPa 升高到 28.3、 17.8 MPa。 位于上行工作面采空区下的一、 二、 三、 四 刀柱煤柱应力处于低应力状态。 图 3 （c） 为上行工作面推进 195 m， 主关键层下 沉压实采空区时的应力分布图。由于采空区分担了 覆岩的部分载荷致使上行工作面支承压力峰值和影 响范围均减小，此时，上行工作面超前支承压力峰 值为 12 MPa， 影响范围约 47 m。受上行采动影响的 六刀柱煤柱应力升高， 峰值由 13.6 MPa 升高到 23.5 MPa，小于主关键层初次破断时五刀柱煤柱承受的 应力峰值。二、 三、 四刀柱煤柱位于主关键层断裂块 体触矸压实区域， 应力出现恢复性升高。 2.3 上行开采刀柱煤柱塑性区分布规律 刀柱采空区上行开采活动引起支承压力重新分 布， 在支承压力作用下， 一定范围内的刀柱煤柱达到 屈服破坏而处于塑性屈服状态，刀柱煤柱的塑性 区分布状态可以反映刀柱煤柱的受力演化过程。刀 柱采空区上行开采刀柱煤柱塑性区分布演化规律 如图4。 如图 4 （a） ， 上行工作面推进 80 m， 亚关键层初 次破断，此时主关键层尚未破断其下方存在离层空 间。主关键层将自身及上覆岩层载荷传递至超前位 于工作面下方的三刀柱煤柱，引起三刀柱煤柱应力 升高， 三刀柱煤柱 （距左边界 129～137 m） 边缘部分 发生塑性屈服破坏。 主关键层初次破断前，随上行工作面推进主关 键层悬空距增大， 支承压力升高， 超前刀柱煤柱塑性 区进一步扩展。如图 4 （b） ， 上行工作面推过四刀柱 煤柱后，四刀柱煤柱塑性区范围不再变化。当上行 工作面推至 155 m， 主关键层发生初次破断， 此时， 超前位于其下方的五刀柱煤柱（距左边界 197～205 m） 塑性区发展最为充分。 主关键层初次破断后， 其中部断裂、 下沉、 触矸， 以中部触矸点为界， 主关键层一端由采空区支撑， 另 一端由工作面煤体支撑。随着上行工作面推进， 超 58 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 图4上行开采刀柱煤柱塑性区分布演化规律 Fig.4Evolution law of upward mining plastic zone distribution of the coal pillar 前位于上行工作面下方的六刀柱煤柱支承压力逐步 升高。如图 4 （c） ， 上行工作面推进 195 m， 超前位于 其下方的六刀柱煤柱 （距左边 231～239 m） 边缘部分 产生塑性屈服破坏区，但不及主关键层初次破断时 五刀柱煤柱的塑性破坏区范围大。显然，刀柱采空 区上行开采过程中，超前位于上行工作面下方的临 近刀柱煤柱的塑性区分布演化规律与 2.2 节中应力 分布演化规律一致。 综上，刀柱采煤法开采下煤层引起刀柱煤柱的 应力集中，上行长壁开采引起刀柱煤柱应力分布的 进一步演化，根据刀柱煤柱受力特点大体可将其分 为 3 个区间位于上行工作面采空区下的刀柱煤柱 处于应力降低区，受上行工作面超前采动应力影响 的刀柱煤柱处于应力升高区，位于上行工作面采动 应力影响范围外的刀柱煤柱处于应力稳定区。主关 键层运动影响采场应力分布，主关键层初次破断 时，受超前采动应力影响的临近刀柱煤柱支承压力 达到最大值， 塑性区分布范围也最大。 3现场验证 晋华宫矿河南 402 盘区 12 号煤层西南部过去 采用刀柱法开采， 刀柱采空区域范围东西长 350 m， 南北长 600 m，其中刀柱间距 25 m，留设煤柱宽 9 m， 采高 3 m。在矿井储量日益濒临枯竭的情况下， 决定上行复采 9 号煤层， 煤层均厚 1.4 m。主关键层 为厚约 46.8 m 的灰白石英粗砂岩，距 9 号煤层约 126.2 m。 由于下煤层刀柱采空区条件异常复杂，上行开 采期间难以对下煤层刀柱煤柱进行应力监测。刀柱 煤柱和层间岩层受采动应力的影响会产生压缩变形 和弯曲变形，继而引起上行工作面底板的下沉， 因 此，上煤层的底板位移情况能够反映刀柱煤柱的受 力。巷道掘进开采期间， 在巷道开口 40 m 处设置第 1 道位移观测站， 以后间隔 100 m 设置 1 道。 上行开采期间，经位移测站实测发现随着上行 工作面推进， 底板下沉量逐渐加大， 主关键层初次破 断时底板下沉约 86 mm 达到最大， 初次破断后底板 下沉量减小。晋华宫矿刀柱采空区上行开采，底板 下沉变化趋势符合本文数值模拟得到的刀柱采空区 上行开采刀柱煤柱支承压力的动态演化规律。 根据刀柱采空区上行开采过程中，超前位于上 行工作面下方的刀柱煤柱的应力在主关键层初次破 断前随上行工作面推进而不断增大的特征。建议刀 柱采空区上行开采时， 工作面需配备注浆充填系统， 发现围岩变形明显、 底板下沉加快等异常现象， 需停 止工作面推进， 对刀柱采空区进行充填。 4结论 1）刀柱法开采下煤层引起刀柱煤柱应力集中， 刀柱煤柱受力明显高于两侧边界煤柱。刀柱采空 区内应力集中区与应力卸压区在水平方向上交替 出现。 2） 刀柱采空区上行开采引起刀柱煤柱应力分布 的进一步演化，根据刀柱煤柱受采动应力的影响将 其分为 3 个区间， 即应力降低区、 应力升高区和应力 稳定区。应力升高区内刀柱煤柱的稳定性是决定刀 柱采空区安全上行开采的关键。 3） 主关键层运动决定采场应力分布， 主关键层 初次破断时，上行工作面及超前位于其下方的刀柱 煤柱应力峰值和塑性区分布范围均达到最大。主关 键层初次破断后明显减小。晋华宫矿刀柱采空区上 行开采期间的底板位移观测结果与研究得到的刀柱 煤柱应力分布规律相符。 参考文献 ［１］ 夏彬伟， 李晓龙， 卢义玉， 等．大同矿区坚硬顶板破断 59 ChaoXing 第 51 卷第 5 期 2020 年 5 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.5 May 2020 步距及变形规律研究 ［Ｊ］ ．采矿与安全工程学报， ２０１６， ３３ （６） １０３８－１０４４． ［２］ 王宁．坚硬煤岩组合条件下冲击地压致灾机理及防治 研究 ［Ｄ］ ．北京 中国矿业大学 （北京） ， ２０１５． ［３］ 徐林生， 谷铁耕．大同煤矿坚硬顶板控制问题 ［Ｊ］ ．岩石 力学与工程学报， １９８５ （１） ６４－７６． ［４］ 杨敬轩， 刘长友， 于斌， 等．坚硬厚层顶板群结构破断 的采场冲击效应 ［Ｊ］ ．中国矿业大学学报， ２０１４， ４３ （１ ） ８－１５． ［５］ 朱涛．极近距离煤层刀柱采空区下长壁开采矿山压力 及其控制研究 ［Ｄ］ ．太原 太原理工大学， ２００７． ［６］ 胡仲国， 杨金顺， 彭小元， 等．极近距离煤层刀柱采空 区下走向长壁开采的探讨 ［Ｊ］ ．煤炭科学技术， ２０００ （４ ） ４３－４６． ［７］ 冯国瑞， 郭峰， 白锦文， 等． “上柱－下垮” 复合残采区中 部残煤开采可行性评价 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１７， ４２ （９） ２２４５－２２５３． ［８］ 白锦文， 冯国瑞， 章敏， 等．上下柱式开采对中部残煤采 场岩层应力分布时空演化的影响 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１６， ４１ （８） １８９６－１９０４． ［９］ 于水， 杨世凡， 王立萌．麦垛山矿 ６＃煤上行开采可行 性分析 ［Ｊ］ ．煤矿安全， ２０１４， ４５ （２） ３５－３７． ［１０］ 李红涛， 齐黎明．煤层 （群） 安全上行开采的探讨 ［Ｊ］ ． 煤矿安全， ２０１３， ４４ （５） １９９－２０１． ［１１］ 冯国瑞， 任亚峰， 王鲜霞， 等．白家庄煤矿垮落法残采 区上行开采相似模拟实验研究 ［Ｊ］ ．煤炭学报， ２０１１， ３６ （４） ５４４－５５０． ［１２］ 邵小平， 武军涛， 张嘉凡， 等．上行开采覆岩裂隙演化 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