垮落法残采区上行开采层间岩层移动变形规律数值模拟研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 18次 | 上传用户:chrron
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两层煤之间的层间岩层结构及其移动规律是上行开采可行性判定和制定开采控制措施的重要依据。原有的上行开采研究基本停留在利用层间距判断上行开采可行性的阶段,没有考虑上行开采的动态过程,因此只有对上、下煤层开采共同作用下层间岩层,尤其是控制层的应力及移动变形规律进行研究,才能完整的描述上行开采岩层移动的本质过程,对上行开采可行性进行判定,并在此基础上制定上行开采的岩层控制措施。本文在工程实践基础上,应用连续介质快速拉格朗日差分法建立模型,在自重荷载形成初始应力场作用下进行模拟施工,并设置监控点监控模型应力及位移量。模拟结果表明:下层煤采后,控制层形成以两侧实体煤为弹性支承的梁结构,应力沿梁连续传递,形成应力拱,控制层之下岩层所受压应力相对较小,并与控制层间发生离层;上行开采初期,原外应力拱拱脚处应力由上层煤采场上部新形成的梁结构承担,造成上层煤采面前支撑压力集中,并随采面向前移动,该支撑压力由内应力拱承担并转移给拱脚,内应力拱也随采面前移;上行开采过程中,控制层在支撑压力作用下向下移动,而控制层下部的岩层在自重及水平方向应力作用下移动;在垂直方向压应力随上层煤采面向前移动之后,控制层转为横向移动,横向上控制层与下部岩层发生相向错动,与上部岩层发生同向错动,纵向上控制层与下部岩层的离层量进一步扩大;上行开采结束后,控制层下部岩层松散率转小,各岩层之间离层现象变小,最大位移增量点控制层比非控制层更为向前,这其中控制层的位移增量始终最小本文在以上工作的基础上,通过对不同的层间岩层组合模型的分析对比发现:层间岩层存在有效控制层时,控制层和其上部岩层的应力较大,位移量较小;层间岩层缺失有效控制层时,岩层移动量明显增大,并导致上层煤顶板岩层整体下移,最大位移量是有控制层存在时的3~4倍。为了了解上行开采前后煤层的赋存情况及层间岩层的完整情况,本文应用瞬变电磁法分别在上行开采前后进行了探测尝试。勘探结果表明:未进行上行开采时,下层煤采空区出现明显的高阻反映,控制层、上层煤及采空区两侧实体围岩视电阻率相对较低,结构基本保持完整;上行开采结束后,层间岩层局部在垮塌岩体动载荷作用下出现不同程度的错断,控制层大部分区域与上下采空区相比视电阻率仍较低,保持相对完整,暂时并没有出现大范围的冒落。通过钻孔和开采过程中探巷点对层间岩层和围岩进行观测发现:下层煤底板石灰岩(控制层)下部出现采动裂隙,但控制层不失宏观整体性;岩层间有离层现象发生;上层煤因为失去压应力变得比原来要松软,下层煤采空区中央为较平缓的下沉盆地;开采时,工作面未出现大面积的片帮现象,矿压显现不剧烈。钻探结果与勘探结果和数值模拟结果基本一致。
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