上解放層開采解放作用機理數(shù)值模擬研究

呂長國,竇林名,徐長厚,張明偉,鄭有雷

(1.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇徐州 221008;3.兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧三號煤礦,山東鄒城 272069)

上解放層開采解放作用機理數(shù)值模擬研究

呂長國1,2,竇林名1,2,徐長厚1,張明偉1,2,鄭有雷3

(1.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221008;2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇徐州 221008;3.兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧三號煤礦,山東鄒城 272069)

為實現(xiàn)大埋深沖擊礦壓煤層的安全高效回采,依據(jù)濟三煤礦十二采區(qū)工作面地質條件及開采參數(shù),對上解放層工作面開采過程中圍巖的應力、變形規(guī)律進行數(shù)值分析及地應力的現(xiàn)場實測分析。研究結果表明：開采解放層會改變被解放層原巖應力分布狀態(tài);開采解放層破壞頂?shù)装鍘r層結構,提前釋放高位巖體彈性能,改善被解放層開采中能量積聚與釋放的空間分布狀況;隨解放層工作面的推進,下方被解放層應力會經(jīng)歷采前應力升高、采后應力降低和應力逐漸穩(wěn)定 3個階段;數(shù)值分析結果和現(xiàn)場測定卸壓效果基本吻合。研究成果為工作面開采布置提供借鑒,具有一定的理論意義與實用價值。

沖擊礦壓;解放層;數(shù)值模擬;解放作用機理

沖擊礦壓是世界范圍內煤礦礦井中最嚴重的災害之一,尤其隨著我國煤礦開采深度的增加,以及開采條件越來越復雜,沖擊礦壓現(xiàn)象越來越多,危害也越來越大[1]?！稕_擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》第十五條明確規(guī)定,沖擊礦壓煤層開采設計應首先開采解放層。解放層開采技術是最有效的戰(zhàn)略性措施,是防治沖擊礦壓的有效和帶有根本性的區(qū)域性防范措施[2-3]。

大量實踐和研究表明,解放層的開采改變巖層運動規(guī)律,降低煤與瓦斯突出危險,增大煤層透氣性,有利于瓦斯抽采工作[4-10]。但對上解放層開采,降低煤層沖擊危險性的卸壓效果和解放作用機理研究較少,本文結合兗州煤業(yè)集團濟寧三號煤礦的實際開采條件,運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測方法,分析研究了上解放層開采過程中被解放層應力分布和煤巖移動變形規(guī)律,分析卸壓解放機理,為具沖擊傾向煤層安全開采合理布局提供借鑒。

1 工程概況

濟寧三號煤礦主采煤層為 3上煤和 3下煤,其中3下煤層沖擊傾向性較強。隨著開采深度及范圍的擴大、地質構造日趨復雜,原巖應力及圍巖移動釋放的能量強度增大,礦井沖擊危險性逐年升高。

上解放層 123上04工作面為十二采區(qū) 3上煤層首采工作面,對應 3下沖擊傾向煤層 123下03工作面。123上04工作面標高 -555.8～-652.6m,平均為 -610.5m;該面走向長 2196.0m,傾斜長 150.4m;3上煤層結構簡單,煤層傾角 0～12°,平均 3°,大部分厚度 1.4m以上,最大厚度 2.2m,平均1.72m;3上煤層直接頂為粉砂巖及細粉砂巖互層,直接底為泥巖,老底為堅硬中砂巖及細粉砂巖互層;3下煤厚度 5.80～7.36m,平均 6.86m,3上煤、3下煤間距 32.33～41.79m,平均 34.27m。

2 模型的建立

2.1 數(shù)值模型及邊界條件

模擬解放層工作面開采過程,工作面開采影響范圍很大,但模型范圍有限。為建立本次研究所需的有限范圍分析模型,消除邊界約束對分析結果的影響,數(shù)值模型的始采線位置距模型邊界 110m,終采線距模型邊界 110m,3上煤層的開采方向從左到右,開采長度為 180m,數(shù)值模型寬度為 400m。模型覆蓋實際煤巖體的范圍為 3下煤底板下 26.6m至 3上煤頂板以上 83m,數(shù)值模型高度為 150m。研究范圍的煤巖體以砂巖、黏土巖為主。

模型底邊界采用全約束條件,即左右移動和上下移動均受限制;模型的左右邊界施加水平約束條件,即限制左右移動,但可上下移動,使邊界巖體不至于影響內部巖體的應力迭代計算。模型的頂邊界根據(jù)上覆巖層重力產(chǎn)生的均布載荷,施加應力邊界條件[11]。力學模型如圖 1所示。

圖1 保護層開采數(shù)值模擬力學模型

2.2 巖層屬性及開采方法

本次數(shù)值模擬煤巖層物理力學參數(shù)基本由巖石力學試驗測定數(shù)據(jù)確定,參照位于 123上04面的 C4-4鉆孔資料。

保護層開采后周圍 (煤)巖層移動、變形、破壞是漸變過程,伴隨工作面的向前推進,采空區(qū)范圍的不斷擴大,應力的不斷調整而逐步發(fā)展變化。為掌握其發(fā)生和發(fā)展演化規(guī)律,對工作面開采過程進行數(shù)值模擬,使之轉化成更符合實際的動態(tài)問題。為此,保護層開采采用分步開挖的開采方式,一次采全高,結合工作面的實際推進進度,每5m為 1個開采步距,以垮落法處理頂板。

3 模擬結果分析

3.1 被解放層應力變化規(guī)律

距離開切眼 80m的 3下煤層中部及其上覆頂板5m處設置監(jiān)測點,監(jiān)測垂直應力,垂直應力隨工作面推進距離的變化曲線如圖 2所示。沿工作面走向,解放層 3上煤層開采過程中,被解放煤層內垂直應力分布情況如圖 3所示。

圖2 監(jiān)測點垂直應力動態(tài)變化規(guī)律

圖3 3下煤層垂直應力隨回采距離的分布規(guī)律

由圖 2應力變化曲線可知,隨解放層工作面的推進,3下煤層及其頂板中的垂直應力經(jīng)歷了采前應力升高、采后應力降低和應力逐漸穩(wěn)定 3個階段。如圖 3所示,解放層的開采范圍對被解放層有較大影響,解放層開采初期,解放層開采對被解放層煤體垂直應力影響較小,當回采 45m時,3下煤層垂直應力有所降低,煤層卸壓程度與范圍都較小,卸壓效果不明顯。隨著工作面向前推進,由于3上煤層底板巖層的移動,采空區(qū)下方一定范圍內被解放層垂直應力進一步降低,被解放層卸壓效果逐漸增強并趨于穩(wěn)定,這也大大降低了煤層開采過程中發(fā)生沖擊礦壓等動力災害的危險性。當卸壓范圍進一步增大,由于底板巖層的進一步移動,解放層采空區(qū)后部重新被壓實,被解放層的垂直應力有所升高,并且最終穩(wěn)定在較原巖應力低的 13.6MPa左右。

同時由于 3上煤層底板巖層的應力傳遞作用,使解放層開切眼煤柱區(qū)和工作面下方煤體形成應力集中區(qū),3下煤層對應上解放層開切眼內側 15～20m范圍,垂直應力降至原巖應力水平,因此,在3下煤層開采設計中,開切眼要與 3上煤層開切眼內錯 15～20m,避開高應力集中區(qū)。

3.2 被解放層位移變化規(guī)律

圖4為 3下煤層垂直位移值隨解放層回采距離變化規(guī)律。

圖4 3下煤層垂直位移隨回采距離的分布規(guī)律

如圖 4所示,由于上解放層開采使上覆巖層應力重新分布,被解放層的應力得到釋放,被解放層一定范圍內出現(xiàn)明顯的膨脹變形,降低被解放層的彈性能,并有效降低了沖擊危險性,從而使被解放層得到充分保護,其中被解放層中部位置的膨脹變形最大,卸壓最充分。隨著解放層開采距離增大,膨脹變形區(qū)也隨之變大。同時,被解放層一定范圍內煤層被壓縮,解放層開切眼后方 20m的被解放層煤柱,解放層工作面前方 10～20m被解放層煤體壓縮變形最大,對應位置支承壓力出現(xiàn)最大值。

被解放層水平位移隨采煤工作面推進距離的變化關系如圖 5所示,圖中縱坐標為被解放層水平位移,大于零表示煤體移動方向與回采方向一致,反之與回采方向相反。

圖5 3下煤層水平位移隨回采距離的分布規(guī)律

如圖 5所示,解放層開采后,被解放層卸壓區(qū)煤層水平變形出現(xiàn) 2個區(qū)域,采空區(qū)前半部分對應煤層的水平移動方向與回采方向一致;而采空區(qū)后半部分對應煤層的水平移動方向與回采方向則相反。卸壓區(qū)煤層在工作面支承壓力的作用下,向中間擠壓變形,中間煤體水平移動不對稱,增加該區(qū)域煤體機械破壞,有利于 3下煤層次生裂隙的發(fā)育,降低了 3下煤層的彈性潛能。解放層工作面回采135m,水平位移值較回采 90m時低,因為隨采空區(qū)的加大,上覆巖層逐步垮落壓實,使得解放層變形值減小,工作面回采 180m,煤層前半部分水平位移值接近于 0mm。

3.3 解放作用機理

秦子晗、潘俊鋒等通過分析被解放層圍巖應力分布變化特征確定卸壓效果和卸壓機理[12],本文通過分析被解放層應力變化和圍巖變形破裂規(guī)律,揭示解放層開采的解放作用機理。解放層工作面回采 150m時,圍巖狀態(tài)如圖 6所示。

圖6 回采 150m時圍巖狀態(tài)

(1)開采解放層后,改變被解放層原巖應力分布狀態(tài),減緩強礦壓發(fā)生的應力水平。

(2)解放層開采后,頂板巖層出現(xiàn)大面積斷裂冒落,破壞了頂板巖層結構,提前釋放高位巖層儲存彈性能,降低了沖擊危險性。

(3)解放層的開采,工作面超前支承壓力和采空區(qū)兩端的側向支承壓力通過底板向下傳遞,使下部煤巖層向已形成的采空區(qū)產(chǎn)生移動變形,產(chǎn)生鼓裂區(qū)域,破壞了 3下煤層及其上覆厚層堅硬頂板的完整性,釋放了頂板中積聚的大量彈性能。

(4)上層煤開采的超前支承壓力使下層煤經(jīng)歷了一次加卸載運動,煤體強度和整體性已經(jīng)受到損傷和破壞,出現(xiàn)膨脹破裂變形區(qū)域,減弱了儲存大量彈性能的能力,開采 3下煤層時頂板彎曲下沉,在裂隙處易形成拉應力而遭斷裂破壞,降低因煤層上方堅硬頂板整體活動引發(fā)沖擊礦壓的危險性。

(5)解放層采空區(qū)形成人造“松散破碎弱結構”,其對震動波加速度與能量的強衰減性使頂板震源能量得到充分的吸收、散射,其沖擊震動能量的強耗散能力可充分保護下方煤層開采,從而能最大程度地避免由于頂板型礦震震動波導致的疊加應力場高于巷道圍巖體的極限承載強度引發(fā)強礦壓的發(fā)生。

通過以上解放機理的協(xié)同作用,解放層開采后,有效降低了被解放層回采的沖擊危險性,起到了充分的卸壓保護作用,開切眼側模擬卸壓保護角為 69°,工作面?zhèn)饶M卸壓保護角為 77°。

4 現(xiàn)場觀測結果對比分析

為對比驗證數(shù)值模擬結果,對模擬區(qū)域被解放層的地應力變化進行了現(xiàn)場實測。觀測方案如圖 7所示,1至 4號應力計安裝深度分別為 19m,23m,34m,30m,水平間距 2m,距離底板 1.2m左右,垂直 123上膠帶巷方向施工。應力計安裝位置與巷幫水平間距分別為 5m,10m,20m和 13m。

圖7 被解放層應力觀測方案

應力計自 2009年 7月 8日開始正常采集數(shù)據(jù),此時 123上04工作面與其水平間距為 150m左右,2009年 9月 2日工作面采過其安裝位置 190m后,應力計停止工作。解放層開采前后被解放層地應力數(shù)據(jù)見表 1。

表1 被解放層地應力實測數(shù)據(jù)

解放層開采過后,被解放層 3下煤層得到一定程度的卸壓,其卸壓效果如圖 8所示,圖中的應力釋放率采用下式計算[13]：

式中,R為應力釋放率,σ為煤層的初始應力(MPa),σ′為煤層卸壓后的應力 (MPa)。

圖8 被解放層應力釋放率

由圖 8可以看出,被解放層應力得到了釋放,且越靠近工作面中部位置,卸壓效果越理想,最大應力釋放率 19.2%。而安裝在工作面傾向 20m位置的 3號應力計,測得應力釋放率偏低的原因是其靠近 HF75斷層,煤巖破裂,初始地應力相對較小,且受工作面回采影響,斷層殘余構造應力易產(chǎn)生疊加。由此可見,實測卸壓效果與數(shù)值模擬結果基本吻合,數(shù)值模擬結果可達到工程使用要求,具有可信性。

5 結論

(1)開采解放層改變了被解放層原巖應力分布狀態(tài);破壞了巖層結構,改變頂板運動規(guī)律,提前釋放了積聚在高位巖體中的彈性能;破壞堅硬底板完整性,被解放煤層出現(xiàn)膨脹變形,改善了被解放層開采中能量積聚與釋放的空間分布狀況;破壞的巖體結構,增加了震動波衰減系統(tǒng),降低了震動波對被解放層的作用。

(2)隨解放層工作面的推進,被解放煤層及其頂板中的垂直應力經(jīng)歷采前應力升高、采后應力降低和應力逐漸穩(wěn)定 3個階段。

(3)現(xiàn)場觀測結果顯示,解放層開采后,被解放層應力得到釋放,卸壓效果理想,數(shù)值模擬結果與此卸壓效果基本吻合,采用數(shù)值模擬方法研究解放層卸壓效果具有可信性。

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[責任編輯：鄒正立 ]

Numerical Simulation of Protective Mechan ism of Upper Protective Seam Mininig

LV Chang-guo1,2,DOU Lin-ming1,2,XU Chang-hou1,ZHANG Ming-wei1,2,ZHENG You-lei3
(1.State Key Laboratory of Coal Resources&Safe Mining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;3.Jining 3rdMine,Yanzhou Coal Co.,Ltd,Zhoucheng 272069,China)

In order to safely mine deep coal-seam with rock-burst liability,rule of stress and deformation of surrounding rock in mining upper protective coal-seam was simulated by numerical method and geo-stress was test on the basis of geological and mining condition of 12thmining area in Jining 3rdmine.Results were showed as follows.Mining protective coal-seam would change stress distribution state of protected coal-seam.Protective coal-seam mining would destroy its roof and floor rock structure and release elastic energy of higher strata in advance,which improve energy accumulation and release condition of protected coal-seam.With protective mining face advancing,stress in protected coal-seam would come through 3 phrases including stress increase before mining,stress decrease after mining and stress stability.Numerical simulation result was fit for on-the-spot observation data,so the results would provide reference for mining design.

rock-burst;protective coal-seam;numerical simulation;protective action mechanism

TD823.84

A

1006-6225(2011)02-0012-04

2011-01-10

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃 (973)資助項目 (2010CB226805),煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題資助項目(SKLCRS M10X05);國家自然科學基金資助項目 (50490273,50474068)。

呂長國 (1985-),男,山東淄博人,碩士研究生,主要從事礦山壓力、沖擊礦壓、采礦地球物理等方面的研究。