中间岩层和节理弱面厚度对上行开采的影响_经来旺.pdf

采矿与井巷工程中间岩层和节理弱面厚度对上行开采的影响*经来旺1，彭绍驰2，李树文2，李学帅2，经纬2（1.安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南232001；2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001）摘要：为了探究中间岩层厚度和节理弱面厚度对上行开采的影响，以甘肃平凉某矿为背景，利用块状离散元软件3DEC对中间岩层厚度比值为5.5、6.5、7.5、8.5、9.5以及节理弱面厚度从0至布满中间岩层的模型进行分析，得到了模型在不同中间岩层厚度比值以及不同节理弱面厚度下的塑性区分布图，同时得到了煤层1在不同工况下的下沉量。结果表明：随着中间岩层厚度比值的增加，煤层1在稳定区的下沉量分别减小了18.11%、24.48%、33.06%、42.09%，这意味着更厚的中间岩层有着更小的上部煤层变形和更大的下部煤层开采长度；同时，随着节理弱面厚度的增加，煤层1下部和上部岩层先后经过煤层1下部岩层未完全屈服；煤层1下部岩层屈服，但煤层1上部岩层尚未屈服；煤层1上、下岩层均屈服且发生离层的3个阶段，使得煤层1的下沉量发生2次突变，并先以较缓的趋势线性增加，随后以较快的趋势线性增加，最终演化为非线性变化趋势。关键词：煤层间距；节理弱面；上行开采；采空区模拟；3DEC中图分类号：TD822文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 001 04Influence of Thickness of Intermediate Rock Stratum and Thickness ofWeak Joint Surface on Upward MiningJING Laiwang1,PENG Shaochi2,LI Shuwen2,LI Xueshuai2,JING Wei2(1.School of Mechanical and Photoelectric Physics,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)Abstract：In order to explore the influence of the thickness of intermediate rock stratum and thethickness of weak joint surface on upward mining,taking a mine in Pingliang,Gansu province as thebackground,the block discrete element software was used to analyze the model.The thickness ratio ofintermediate rock stratum in the model is 5.5,6.5,7.5,8.5 and 9.5,and the thickness of weak jointsurface is from zero to full of intermediate rock stratum,the plastic zone distribution of the model underdifferent thickness ratios of intermediate strata and different thickness of weak joint surfaces wereobtained,at the same time,the subsidence of coal seam 1 under different working conditions wasobtained.The results show that:with the increase of the thickness ratio of intermediate strata,thesubsidence of coal seam 1 in the stable area decreased by 18.11%,24.48%,33.06%and 42.09%respectively,this means that the thicker intermediate strata have smaller upper coal seam deformationand larger lower coal seam mining length;at the same time,with the increase of the thickness of theweak joint surface,the lower and upper strata of coal seam 1 have gone through three stagessuccessively:the lower strata of coal seam 1 have not completely yielded;the lower strata of coal seam1 yield,but the upper strata of coal seam 1 have not yet yielded;the upper and lower strata of coalseam 1 yield and separate,the subsidence of coal seam 1 has two abrupt changes,which first increaseslinearly with a slow trend,then increases linearly with a fast trend,and finally evolves into a nonlinearchange trend.Key words:coal seam spacing;weak joint surface;upward mining;goaf simulation;3DEC第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0010引言目前，下行开采技术在煤矿开采领域的应用十分广泛，但由于复采采空区上部遗留的煤炭资源的需要，上行开采技术也逐渐被应用到各个矿区，所以，研究上行开采的影响因素有着重要的工程价值。由于断裂力学的理论分析很难在岩体中得到应用，特别是在采空区领域，位移场的理论求解几乎无法进行，所以结合现场实际与仿真软件成为当下上行开采技术研究的主旋律，并且在这一领域得到了丰硕的研究成果，如王晓辉分析了范各庄煤矿近距离煤层间相互影响作用,并对上行开采的可行性进行了评估；秦忠诚等模拟了郭屯煤矿在不同层间距*安徽省青年科学基金项目（51904012）；安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2019A0099）；安徽省博士后研究人员科研活动经费资助项目（2018B268）1中间岩层和节理弱面厚度对上行开采的影响经来旺，等第42卷第02期Vol.42 No.02下的每层变形和破坏特征，为现场实际提供了一定的仿真依据。与此同时，相当多的控制理论也相继出现，如孙闯等提出了大采高综采工作面部分平衡结构形成层位平衡结构形成层位的判别公式，并对其进行验证；崔峰等提出了倒梯形危险指数，为上行开采围岩稳定性分析提供了理论依据。学者们在开采参数对上行开采的研究上也取得了丰硕的成果，包括煤层间距、开采区长度以及岩层属性，如冯国瑞等用简化的平面力学模型分析了煤层间距对破坏范围的影响；于文鑫等研究了采空区长度对顶板破裂的影响。上述研究对上行开采技术的应用有着积极的作用，但是目前针对节理弱面等细观参数对上行开采的影响较为缺乏，针对这一不足，本文利用块状离散元软件3DEC对不同中间岩层厚度比值和不同厚度的节理弱面进行分析，得到不同中间岩层厚度比值和不同厚度节理弱面对上行开采的影响，可以为相似地质条件下的煤矿上行开采提供仿真依据。1模型建立1.1岩层模型以甘肃平凉某矿地质条件为背景，确定模型埋深为500 m，侧向压力系数为0.5，建立尺寸为300 m3 m150 m的模型如图1所示。图1岩层模型图H.中间岩层厚度h.节理弱面厚度模型中，下部岩层厚度20 m，煤层2厚度6 m，煤层1厚度4 m，中间岩层厚度按照上行开采中的比值判断法进行确定，中间岩层厚度比值K=HM2（1）式中M2煤层2的厚度。对于双煤层的上行开采，K值一般大于7.5，为了探究中间岩层厚度对上行开采的影响，分别取值为5.5、6.5、7.5、8.5、9.5。各岩层均采用摩尔-库伦模型，其属性参数如表1所示。表1岩层参数1.2节理模型天然岩石中大量分布着节理，这些节理是降低岩石强度和造成煤矿开采中采空区上部岩层断裂塌落的主要因素，在中间岩层中，由于采动和沉积的影响，岩层下部节理参数要弱于岩层上部，将较弱的节理称为节理弱面，为了探究节理弱面厚度对上行开采的影响，本文首先分析节理弱面厚度为0的模型塑性区以及煤层1的下沉量，随后依次增加节理弱面的厚度为4 m，直至节理弱面充满整个中间岩层。本文采用的节理模型为摩尔-库伦模型，节理面上切向应力SpeakF=c+ntan（2）式中c黏聚力；n法向应力；内摩擦角。当切向应力超过峰值强度时，切向应力会瞬间下降到残余剪切应力，残余切向应力SresF=cres+ntan res（3）式中cres残余黏聚力；res残余内摩擦角。图2（a）为切向应力与切向位移的变化曲线；图2（b）为法相应力与法相位移关系曲线，取压缩为正，则节理面上的法相应力随着节理的张开而减小，当节理面上的强度达到拉伸强度Tf时，则节理发生破坏；图2（c）为节理剪胀特性曲线，节理的剪胀特性曲线公式nustan usucsn0 usucs（4）式中us塑性切向位移；ucs节理塑性切向极限位移；剪胀角。（a）切向应力-切向位移（b）法相应力-法相位移（c）节理剪胀特性图2节理模型图体积模量/GPa140.4260.414密度/kgm-32 6301 4002 7501 4002 630岩层上部岩层煤层1中间煤层煤层2下部岩层剪切模量/GPa90.4130.49黏聚力/MPa121.3221.312内摩擦角/()3520332035抗拉强度/MPa30.6560.653上部岩层煤层1中间岩层下部岩层煤层2HhSpeakFc+ntancres+ntanresKs1切向应力切向位移法向应力法向位移1KnTf拉伸压缩法向应力ucs塑性切向位移2中间岩层和节理弱面厚度对上行开采的影响经来旺，等第42卷第02期Vol.42 No.02根据节理模型特性，选取节理参数如表2所示。表2节理参数本次研究中不设剪胀极限，即ucs无穷大，令剪胀角等于内摩擦角，同时，默认残余黏聚力cres=0，残余内摩擦角res保持不变。2中间岩层厚度对上行开采的影响为了探究中间岩层厚度对上行开采的影响，将1.1节中的岩石参数赋予模型中，并将节理弱面厚度设置为12 m，对煤层2进行分步开采，每步开采20 m，开采范围为50250 m，得到开采后的模型塑性区分布图如图3所示。（a）K=5.5（b）K=6.5（c）K=7.5（d）K=8.5图3不同中间岩层厚度塑性区分布图3中n代表塑性、p代表弹性，随着中间岩层厚度的增加，煤层1的变形明显减小，同时，模型塑性区的范围也得到很好地控制，为了进一步量化分析中间岩层厚度对上行开采的影响，对采空区中心点位置的煤层1下沉量进行监测，得到煤层1下沉量与采空区长度的变化曲线如图4所示。图4煤层1随采空区长度下沉量从图4中可以得知，当采空区长度较小时，煤层1的下沉量随采空区