保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟(1).pdf

第33卷第1期煤 炭 学 报Vol . 33 No. 1 2008年1月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJan. 2008 文章编号 0253 - 9993 2008 01 - 0017 - 06 保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟 石必明,刘泽功 安徽理工大学 能源与安全学院,安徽 淮南 232001 摘 要基于岩石破裂损伤理论和有限元计算方法,利用RFPA应用系统模拟分析了保护层开采 过程中,被保护层层厚变形规律、煤层水平变形特征和保护层与被保护层之间的相对层间距对被 保护层保护效果的影响,认为随着保护层采煤工作面向前推进,被保护层垂直变形呈现 “M”型 分布;卸压区煤层水平变形呈现拉抻和挤压状态,增加该区域煤体机械破坏,有利于被保护层次 生裂隙的发育;相对层间距对被保护层卸压变形产生较大影响,相对层间距愈大,其变形量减 小,不利于煤层离层裂隙和破断裂隙的产生.对数值模拟结果与现场实际测定结果进行对比分 析,两者基本吻合. 关键词保护层开采;数值模拟;煤岩变形;煤与瓦斯突出 中图分类号TD713131 文献标识码 A 收稿日期 2007-02-06 责任编辑毕永华 基金项目安徽省科技厅自然基金资助项目050440402 ;安徽省教育厅自然科学基金资助项目2005KJ015 作者简介石必明1964 , 男,安徽太湖人,教授,博士.Tel 0554 - 6668753,E - mailbimingshi1631com Numerical simulation of the upper coal and rock deation characteristic caused by m in ing protecting stratum SH IBi2ming, L IU Ze2gong College of M ining and Safety, Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China Abstract According to the rock failure damage theories and the finite element , the dynamic progressive process of the upper protected coal caused by mining the protecting coal was simulated by RFPA soft system.The defor mation law of the protected coal thickness, the horizontalmovement characteristics and the effects of the rela2 tive distance for the protected strata along with the mining protecting stratum mining were found.The results indi2 cate that the vertical deation of the protected coal strata is distributed according to“M”within limits of protec2 ted strata, and the coal seams in pressure relief zone of protected layer horizontally move at reverse orientation, which makes the coal seam endure the level stretch and extrusion and results in physical disturbance of the coal body in the area thatmakes for the development of secondary fracture, and through si mulating the connection be2 tween the relative distance and the pressure relief deation of protected layer, it is observed that the longer the relatively interlayer interval, the s maller the deation is, which goes against the creation of rupture crannies and bed separation crannies .The experi ment results at site are consistentwith those results shown above. Key words protecting stratum mining; numerical simulation; coal and rock deation; coal and gas outburst 随着煤矿开采规模的不断扩大以及开采深度的增加,煤矿瓦斯的特殊涌出成为制约矿井高产高效的主 要因素.尤其在开采低透气性高瓦斯有突出危险煤层时,煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的自然灾 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2008年第33卷 害之一,如何安全、经济、有效地防治煤与瓦斯突出,前人为此进行了大量的研究,提出了许多有效的防 治措施,对减少和预防煤与瓦斯突出做出了卓有成效的贡献.其中保护层开采技术是已被大量实践证明并 用法规形式确立的防治煤矿突出危险的行之有效的方法,在国内外被广泛应用.保护层开采能使突出危险 煤层的应力-形变状态和瓦斯动力状态发生改变,使被保护层卸压,释放煤层的弹性潜能,增大煤层的透 气性,有利于被保护层的瓦斯流动、解吸,从而减少煤层含量,以降低煤层瓦斯内能,达到预防煤与瓦斯 突出的目的.在研究保护层开采过程中,被保护层变形特性对现场保护层开采方案的有效实施具有重要的 理论和实际意义. 数值模拟作为一种力学分析工具已被学术界和工程界广泛接受.本文拟采用从微元强度的统计入手, 建立反映岩石材料微观细观非均匀性与变形非线性联系的弹性损伤模型,开发了基于有限元理论和 全新的材料破裂过程算法思想的岩石破裂全过程RFPA 2D分析系统[1 ] ,对保护层开采过程中上覆岩层垮落 移动和被保护层变形规律,以及不同相对层间距时被保护层煤层变形特性等进行模拟分析. 1 数值模拟本构关系 岩石应力-应变曲线的非线性是由于其受力后的不断损伤引起微裂纹萌生和扩展而造成的,而不是由 于其塑性变形,因此,用弹性损伤力学的本构关系来描述岩石的细观力学性质是合适的 [1, 2 ]. 从岩石的微 观结构上讲,一方面因为大量节理、裂隙的存在,岩石不是连续介质;另一方面由于岩石仍属于结晶材 料,故岩石也不是离散介质,这就说明了岩石从构造本质上讲是一种非线性材料.岩石的非线性本质还表 现在岩石的变形、演化以及其中裂隙和孔隙空间分布的复杂性和高度无序性等方面. 在岩石破坏初始状态,细观单元是弹性的,其力学性质可以完全由弹性模量和泊松比来表达,随着单 元应力的增加,当单元的应力状态或者应变状态满足给定的损伤阈值时,单元开始损伤.在不同的应力组 合条件下,岩石的破坏表现出剪切和拉伸2种形式.通常,可以利用库仑准则判别压缩破坏,利用最大拉 应力准则判别拉伸破坏.考虑研究区域细观单元在压缩或剪应力作用下的损伤,采用修正的摩尔库仑准则 可考虑拉伸破坏作为基元破坏判据,其特点是可同时考虑拉伸或剪切破坏,其表达式 [1, 3 ]为 σ1- 1sinφ 1-sinφ ≥σc σ3 ≥0 , σ3≤-σt σ3ε≥εtu , 1 εεtu , 2 式中,D为损伤变量, D0对应无损伤状态, D1对应完全损伤状态,0 D1对应不同程度的损伤程 度;ftr为单元残余强度, MPa;εto为弹性极限所对应的拉伸应变;εtu为极限拉伸应变;E0为初始弹性模量, MPa. 在单轴压缩应力状态下,当剪应力达到莫尔-库仑损伤阈值时,细观的损伤本构关系为 D 0 εεco , 1- λ ε co ε εco≤ε , 3 式中,εco为单元最大主应力达到其单轴抗压强度时对应的最大压主应变;λ为单元的残余强度系数. 81 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期石必明等保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟 2 模拟条件及煤岩力学参数 以某煤矿保护层B11工作面作为模拟条件,该工作面风巷与机巷在标高- 600～- 650 m之间, 倾斜长190 m,走向长1 640 m,煤层厚度平均119 m,煤层倾角平均9,煤层原始瓦斯含量4～7 m 3 /t, 相对瓦斯涌出量5123～7132 m 3 /t,属低瓦斯煤层.被保护层C13平均厚度610 m,煤层原始瓦斯含量 12～22 m 3 /t,原始瓦斯压力高达414 MPa,煤层原始透气性系数为319210 - 2 m 2 / MPa 2 d ,该煤层 在其它区域开采过程中经常出现工作面瓦斯超限,且多次发生煤与瓦斯突出,目前采取的主要措施是顶板 表1 数值模拟模型各岩层主要力学参数 Table 1 M echan ic parameters of rock strata in numerical si mulation model 序号岩 性 弹性模量 /GPa 抗压强度 /MPa 自重 / 10 - 5Nmm- 3 层厚 /m 1粉砂岩57632156610 2砂质泥岩38372140610 3C13煤层10151140610 4砂质泥岩26332140310 5粉砂岩57502156310 6泥岩20252140310 7粉砂岩57502156310 8泥岩20252140610 9中粒砂岩647621601210 10砂质泥岩383721401510 11泥岩20252140310 12细砂岩47502150810 13中粒砂岩64622160410 14砂质泥岩38372140610 15B11煤层10201140210 16砂质泥岩383721401410 走向钻孔抽放采空区上部瓦斯,以降低工作面 上隅角瓦斯涌出,同时进行本煤层瓦斯未卸压 抽放,以减少本煤层瓦斯含量,降低煤层瓦斯 压力和瓦斯弹性潜能,但由于该煤层属低透气 性有突出危险煤层,抽放效果不明显,所以有 必要采取有效措施,增大煤层透气性,结合矿 井煤层赋存条件,采取开采B11煤层,保护C13 煤层.B11煤层与C13煤层之间的法线距离平均 为6617 m,属远距离保护层开采. 数值模型采用二维平面应变模型 [4～6 ]. 根 据研究问题的实际情况,主要模拟B11煤层 保护层与C13煤层被保护层之间覆岩 移动、被保护层煤层变形及透气性变化规律, 因此,仅模拟B11直接底至C13煤层直接顶,模 型岩层共计16层,主要岩体力学参数见表 1 [7～10 ]. 模型上部岩层质量采用均匀分布载荷 代替,左右及下部边界为固定边界,模型沿水 平方向取260 m,垂直方向取120 m,划分 260120个单元,B11保护层采用分步开挖的 开采方式,一次采全高,每步开挖5个单元, 图1 煤层变形值随保护层工作面推进距离变化曲线 Fig11 Distribution characteristic of the thickness changes alongwith the change ofmining excavation range 即5 m,垮落法顶板管理. 3 数值模拟结果及分析 311 被保护层煤层变形规律 模拟了保护层开采过程中被保护层层厚 的变化,图1为被保护层煤层变形量 ε随保 护层工作面推进的变化关系.图中横坐标为 工作面相对位置,纵坐标为被保护层煤厚变 形值ε.分析图1可以得出 1保护层的开采范围对被保护层有较 大影响,保护层开采初期,保护层开采对被 保护层煤体变形影响较小,当回采60 m时, 其最大膨胀变形约为52 mm.随着工作面向 前推进,被保护层膨胀变形值逐渐增大并趋于稳定,最大膨胀变形约22315 mm,约为C13煤层的3173. 随着开采距离的进一步增大,上覆岩层不断垮落,被保护层的最大主应力有所恢复,煤层的膨胀变形 91 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2008年第33卷 逐渐减小,达到一定值后趋于稳定.在保护层开采工作面后方采空区一定范围内,应力未恢复区煤层变形 仍保持较大值. 2由于保护层开采使上覆岩层应力重新分布,保护层一定范围内煤层被压缩,当保护层推进距离 达到一定值后,其压缩量趋于稳定,其保护层切眼上方的被保护层煤柱内,煤层最大压缩变形约153 mm, 保护层工作面前方被保护层煤体压缩变形最大为8014 mm. 3随着保护层采煤工作面向前推进,被保护层变形呈现压缩、膨胀、膨胀减小到稳定的变化规律, 从图1被保护层中保护层切眼前方约40 m,工作面煤壁后方20 m上方煤体膨胀变形最大,采空区中部煤 体膨胀变形较小,说明远距离保护层开采后位于弯曲下沉带内的被保护层中存在稳定的煤层变形增大区, 该区域煤体裂隙发育,有利于瓦斯运移和煤层瓦斯卸压抽放. 图2 水平变形位移随保护层工作面推进距离的变化 Fig12 Distribution characteristic of the horizontalmovement alongwith the change ofmining excavation range 312 被保护层水平变形规律 图2为被保护层水平变形位移x随保护层采 煤工作面推进距离的变化关系.图中横坐标为工 作面相对位置,纵坐标为被保护层水平变形位移 值,大于零表明煤层移动方向与开采方向一致, 反之与开采方向相反.分析图示曲线分布可以看 出,当保护层工作面推进距离较小时,被保护层 卸压煤层水平移动方向与回采方向相反,此时煤 层受到压缩引起的单向水平挤压作用,不利于提 高煤层透气性;随着工作面推进距离的增大,被 保护层卸压区煤层水平变形出现两个区域,切眼 前方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向一 致;工作面后方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向相反,两侧煤层水平移动不对称,此时卸压区煤 层受到水平拉抻和挤压作用,使该区域煤体机械破坏增加,有利于被保护层次生裂隙的发育,增加煤层的 透气性. 图3 方案1被保护层变形分布特性 Fig13 Distribution characteristic of the thickness changes about the protected stratum in the No11 scheme 4 相对层间距与被保护层变形关系 为了考察相对层间距保护层与被保护层垂直间 距与保护层开采高度之比对被保护层变形的影响, 对不同的相对层间距时被保护层变形特性进行了模拟. 模型中含有一层坚硬岩层,为了简化模拟计算,其它 岩层均设置为中等硬度岩层,开采煤层厚度为2 m,被 保护层层厚6 m.图3是相对层间距为 40 方案 1 时 的模拟结果.图中横坐标为被保护层的相对位置,“0” 为对应保护层的开切眼,纵坐标表示被保护层变形. 分析图中变形分布特性可知,当保护层工作面开采距 离小于50 m,即主关键层发生初次破断以前,保护层 的开采对被保护层的影响较弱,被保护层膨胀变形量较小,随着保护层工作面不断向前推进,被保护层变 形量逐渐增大,但达到最大值的时间较长,如从开采100 m到120 m,相差仅为20 m,而被保护层变形量 相差却很大,同时,当保护层工作面开采约80 m,被保护层膨胀变形达到最大值,说明相对层间距较大 时,保护层的开采对被保护层的影响减小,被保护层膨胀变形滞后时间较长. 图4是相对层间距为20时的模拟结果方案2.分析图中被保护层变形分布特性可见,保护层开采 对被保护层的影响明显,当工作面推进30 m时,即工作面发生初始冒顶,被保护层即产生明显膨胀变形, 02 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期石必明等保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟 图4 方案2被保护层变形分布特性 Fig14 Distribution characteristic of the thickness changes about the protected stratum in the No12 scheme 当保护层工作面开采距离大于50 m,即主关键层发生初 次破断以后,被保护层产生较大膨胀变形,随着保护层 工作面不断向前推进,被保护层膨胀变形迅速达到最大 值,图中开采100 m和开采120 m时,煤层膨胀变形最 大值相近,同时,当保护层工作面开采约80 m,被保护 层膨胀变形达到最大值,说明当相对层间距较小时,保 护层开采对被保护层的影响增大,不仅被保护层膨胀变 形剧增,而且膨胀变形滞后时间大大减小. 比较图3和图4被保护层变形分布特性可以看出, 在保护层开采过程中相对层间距对被保护层卸压变形产 生较大影响,相对层间距愈大,保护层开采对被保护层 的影响愈小,表现为煤层压缩变形和膨胀变形均较小,膨胀变形的滞后时间增长,不利于被保护煤层离层 裂隙和破断裂隙的产生,这样,保护层与被保护层之间的开采超前距应相应增大. 5 现场试验对比分析 由于现场实际条件的限制,仅在试验工作面一个地点采用深部基点法测定保护层开采过程中,被保护 图5 深部基点结构 Fig15 The structure of the deep base point 层C13煤层的变形,即通过深部钻孔,在煤层的顶 底板岩石中分别安设测点,通过观测两个测点之间的 相对位移来确定煤层的变形.深部基点结构如图5所 示. 具体方法如下在C13煤层的底板抽排巷中选定一 个测点,向C13煤层打钻,直达C13煤层的顶板进入 110 m左右 . 在煤层顶板及底板各安装一对钢楔,钢 图6 被保护层变形特性曲线 Fig16 Distribution characteristic of the thickness changes about the protected stratum 楔由钢管和钢板做成,形状如倒楔形锚杆.煤层顶板的钢 楔焊接 10 mm钢筋,穿过煤层底板的钢楔至孔口.煤层底 板的钢楔焊有一根 15 mm的无缝钢管,套在与顶板钢楔相 联的钢筋上.用游标卡尺或钢卷尺测定钢管与钢筋的相对 位移,即为煤层顶底板相对变形. 测定结果如图6所示.由图6可以看出,在B11煤层开 采期间,C13煤层的压缩变形最大达到27 mm,最大膨胀变 形为210144 mm.煤层的最大相对压缩变形为01337.最 大膨胀变形为2163.说明保护层开采导致被保护层地应 力有较大的下降,煤层内裂隙相应地增加.测定结果与数 值模拟结果接近,说明数值模拟基本符合实际,为现场试 验区合理布置瓦斯抽采钻孔提供了理论指导. 6 结 论 1保护层开采对被保护层产生较大影响,随着保护 层开采,上覆岩层不断垮落,被保护层的最大主应力大大降低,被保护层在一定范围内发生膨胀变形,但 随着保护层推进距离的不断增加,被保护层的最大主应力有所恢复,煤层的膨胀变形逐渐减小,达到一定 值后趋于稳定,该区域煤体裂隙发育,煤层透气性大大增加,有利于瓦斯运移和煤层瓦斯卸压抽放. 2随着保护层工作面推进距离的增大,被保护层卸压区煤层水平变形出现两个区域,切眼前方一 12 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2008年第33卷 定距离煤层的水平移动方向与回采方向一致;工作面后方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向相反, 这样被保护层卸压区煤层受到水平拉抻和挤压作用,使该区域煤体机械破坏增加,有利于被保护层次生裂 隙的发育,进一步增加煤层的透气性. 3在保护层开采过程中相对层间距对被保护层卸压变形产生较大影响,相对层间距愈大,保护层 开采对被保护层的影响愈小,膨胀变形的滞后时间增加,不利于被保护煤层离层裂隙和破断裂隙的产生, 为了保证保护层开采效果,应增大开采超前距.因此,在矿井生产的实际过程中,在被保护层中进行卸压 抽放时,应考虑保护层开采过程中,被保护层透气性的时空演化分布规律. 参考文献 [1] 杨天鸿,唐春安,徐 涛,等.岩石破裂过程渗流特性-理论、模型和应用[M ].北京科学出版社, 2004. [2] 程远平,俞启香.煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究[J ].中国矿业大学学报, 2004, 33 2 132～136. [3] 刘红元,刘建新,唐春安.采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟[J ].岩土工程学报, 2001, 23 2 201～204. [4] 石必明,俞启香.保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟[J ].中国矿业大学学报, 2004, 33 3 259～263. [5] DziurzynskiW, Krach A. Mathematicalmodel ofmethane emission caused by a collapse of rock mass crump [J ]. Archives of Mining Sciences, 2001, 46 4 433～449. [6] Valliappan S, ZhangWohua. Numericalmodeling ofmethane gasmigration in dry coal seams [J ].Geomechanics Abstracts, 1997 1 10～12. [7] 程远平,周德永,俞启香,等.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究[J ].采矿与安全学报, 2006, 23 1 12～ 18. 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