亢燕卿



某矿上行开采的数值模拟分析

亢燕卿

摘要某矿408盘区12#煤层已开采完毕，而8#煤层仍赋存有煤量。为避免8#煤炭资源永久性损失，采用数值模拟对上行开采8#煤层的可行性进行研究。结果表明：12#煤层开采后上覆岩层垮落带高度为12 m～15 m，导水裂隙带高度为65 m～80 m。结合理论分析和物探分析结果表明某矿上行开采8#煤层可行。

关键词上行开采；导水裂隙带；垮落带

1　引言

由于历史和地质条件复杂等原因，自然资源开采型的老矿井采空区上方遗弃有大量可采价值的煤炭。随着煤炭开采技术的发展，采用上行开采技术回采采空区上方遗弃的煤炭资源成为解决资源短缺问题的一个有效方法[1-6]。某矿408盘区和410盘区12#煤层之上的8#煤层上行开采煤量总和为165.9万t。目前，本盘区12#煤层已开采完毕，为避免8#煤层煤炭资源的永久性损失，本文采用ANSYS有限元数值模拟软件模拟了在12#煤层开采以后的覆岩破坏高度以及对上部8#煤层的破坏及影响程度，并通过大地电磁测探资料验证模拟结果的正确性，得出了该矿8#煤层采用上行开采的方法是可行的。

2　地质概况

某矿408盘区12#煤层倾角为0°～3°，属于近水平煤层，使用长壁式全部垮落采煤方法进行开采，最大采高为3.3 m。钻孔资料表明，8#煤层与12#煤层的层间距最小为83 m，最大为95.55 m，平均层间距为85 m。

3　12#煤层覆岩破坏高度的确定

3.1覆岩破坏高度的数值分析

数值模拟采用ANSYS软件的D-P屈服准则，在π平面上为圆形，在主应力空间的屈服面为光滑圆锥，表述极其简单且数值计算效率很高，在实际有限元计算中获得比较广泛的应用。

3.1.1模型建立

根据地质资料，12#煤层平均埋深为330 m，8号煤层埋深为245 m，8#煤层与12#煤层的覆岩平均厚度为85 m。12#煤煤层平均开采厚度为2.8 m，8#煤层平均厚度为1.3 m，该矿煤层倾角较小，属于近水平煤层，在数值模拟计算时，按水平煤层考虑。现矿井主要以综合机械化开采工艺为主，工作面为单一长壁全部垮落法。为了简化计算，采用平面应变模型。根据以上参数建立模型，模型高度100 m，宽度450 m，A1面为8号煤层工作面，A16面为12号煤层层工作面，见图1。

图1计算模型

3.1.2煤（岩）体物理力学参数

室内试验获得某矿12#煤层及其顶底板岩层物理力学参数见表1。

表1岩层物理力学参数

续表2岩层物理力学参数

3.1.3边界条件

上边界施加上覆岩层自重，下边界施加x方向和y方向的位移约束，左右边界施加x方向约束。上覆岩层自重大小q与上覆岩层的岩性和埋藏深度有关，即q=γH，其中γ为上覆岩层平均容重，H为埋深，计算得q=7 MPa。见图2。

3.1.4数值模拟结果分析

12#煤层开采结束以后，各岩层水平方向应力、竖直方向应力、水平方向位移、竖直方向位移见图3所示。

图2边界条件

12#煤层开采以后，煤层顶板受到水平方向拉应力作用，最大拉应力为7.67 MPa，推断12#煤层上方红色区域为垮落带，垮落带高度约为12 m～15 m。采空区正上方中间位置岩层承受水平压应力，最大水平压应力为13 MPa，向两侧逐渐减小；开采边界处及相邻外侧一定区域承受拉应力。12#煤层开采后，8#煤层承受的水平应力和竖直应力均比较均衡，推断8#煤层未破坏或破坏程度很小。

图3 12#煤层开采后覆岩应力和位移分布图

由图3（c）和3（d）可知，12#煤层上方岩层水平位移均较小，竖向位置全区成盆地状分布，推断12#煤层开采后，上覆岩层破坏高度约为65 m～80 m。8#煤层所在位置水平位移及竖向位移均匀，最大水平位移为25 cm，最大竖向位移为42 cm，变形连续，说明8#煤层在12#煤层开采后仍保持整体性，并未发生横向及竖向错动。

3.2“三带”高度的理论计算

某矿12#煤层顶板为坚硬的中、粗砂岩，开采厚度为2.6 m～3.3 m，基本呈西南薄东北厚分布，开采方法为缓倾斜长壁综采，强制放顶，煤层倾角为0°～3°。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的相关规定，12#煤层开采后形成的垮落带和裂隙带的最大高度见表2。

表2某矿12#煤层“三带”高度计算表

因此，某矿12#煤层开采后形成的垮落带高度为14.6 m～16.9 m；垮落带和裂隙带总高度为74.3 m～81.2 m。

3.3覆岩破坏高度的物探分析

利用EH-4大地电磁测探资料对12#煤层开采以后的覆岩破坏高度以及对上部8#煤层的破坏及影响程度进行分析，在图4中可以看到，在水平方向0 m～300 m之间，标高在+1 010 m～+1 080 m之间有一高阻闭合圈（图中红色虚线所示），该异常区域范围位于12#煤层采空区上方，影响高度为70 m，异常区域下方电阻率等值线平滑，疏密变化不大，无错动，层状分布，电性标志层稳定，与岩层赋存特征相符，因此可推断该异常区域为开采引起的覆岩破坏影响范围。

图4大地电阻率二维反演图

在12#煤层影响区域与8#煤层采空区之间电阻率等值线平滑，无错动，推断该区域受12#煤层开采影响很小，覆岩未出现明显破坏，12#煤层导水裂隙带未与8#煤层覆岩的破坏区域联通。

综上，12#煤层开采后上覆岩层的破坏高度为65 m～81.2 m，8#煤层处于弯曲带内，8#煤层在结构上未产生破坏，只产生微小的连续变形。12#煤层开采后上覆岩层已经基本稳定，因此，8#煤层在结构上与时间上均满足上行开采的要求。

4　结论

采用ANSYS有限元数值模拟软件模拟了在12#煤层开采以后的覆岩破坏高度，分析得出某矿408盘区12#煤层开采后上覆岩层垮落带高度为12 m～15 m，导水裂隙带高度为65 m～80 m。

由理论计算得出的12#煤层开采后形成的垮落带高度为14.6 m～16.9 m，垮落带和裂隙带总高度为74.3 m～81.2 m；利用EH-4大地电磁测探资料得出12#煤层上覆岩层破坏高度是70 m。

钻探结果表明某矿12#和8#煤层层间距最小为83 m，最大为95.55 m，平均85 m。8#煤层处于12#煤层开采引起的弯曲带内，8#煤层在结构上未产生破坏，只产生微小连续变形。因此，8#煤层采用上行开采具有可行性。

参考文献

［1］杜登计.煤炭上行开采技术探讨［J］.山东煤炭科技，2009（01）：76-77.

［2］吕谋.采煤方法选择及上行开采技术分析［J］.山西煤炭管理干部学院学报，2015（1）：36-37.

［3］马立强，汪理全，乔京利等.平四矿近距煤层上行开采研究［J］.采矿与安全工程学报，2008，25（3）：357- 360.

亢燕卿，男，1985年出生，山西省原平市大林乡人。太原理工大学采矿工程毕业。现在大同煤矿集团资源整合矿井管理处工作。

Analysis on the Numerical Simulation of Upward Mining in a Certain Coal Mine

Kang Yanqing

Abstract：The 408 panel 12 # coal seam of a certain coal mine has been depleted，and 8# coal seam still has coal oc⁃currence. To avoid the permanent loss of 8# coal seam resource，the feasibility study of upward mining 8# coal seam uses the numerical simulation.The results show that the caving zone height of the overlying strata is 12～15m after mining 12 # coal seam，the height of the water flowing fractured zone is 65～80m. Combined the theory analysis with geophysical anal⁃ysis，the results show that upward mining 8# coal seam is feasible.

Keywords:upward mining；water flowing fractured zone；caving zone

收稿日期：2015-12-10

作者简介

中图分类号TD325+.1

文献标识码A

文章编号1000-4886（2016）02-0011-03