近距離煤層煤巷掘進底板防突巖柱厚度數(shù)值分析＊

寧 俊 林柏泉 張志雨 孟 杰 張萌博

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

近距離煤層煤巷掘進底板防突巖柱厚度數(shù)值分析＊

寧 俊1,2林柏泉1,2張志雨1,2孟 杰1,2張萌博1,2

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

以平煤股份五礦己-1532020掘進工作面為研究對象,針對該掘進工作面處于近距離煤層上保護層內(nèi)、掘進巷道底板與被保護層的間距過小、掘進過程中可能發(fā)生下部突出煤層沖破底板巖柱而導(dǎo)致煤與瓦斯突出的情況,運用FLAC3D對底板防突巖柱厚度進行模擬研究,結(jié)果表明,在圍巖均質(zhì)完整情況下,煤巷掘進的最小預(yù)留防突巖柱厚度不應(yīng)小于2.5 m,結(jié)合現(xiàn)場實際,安全巖柱厚度應(yīng)不小于3 m。

近距離煤層煤巷掘進 煤與瓦斯突出 底板突出 安全巖柱

在上保護層內(nèi)的巷道掘進過程中,巷道底板巖柱處于一定的地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用之下。如果巷道與被保護層之間的巖柱厚度不足,在強大的地應(yīng)力和瓦斯壓力作用下,就有可能造成瓦斯沖破頂?shù)装鍘r柱,發(fā)生煤與瓦斯突出的危險。因此確定合理的預(yù)留安全巖柱厚度,對于保證保護層內(nèi)煤巷安全高效掘進具有重要意義。

目前在對巖土工程和采礦工程問題進行研究時,人們常采用將理論分析、相似材料模型以及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,其中數(shù)值模擬研究方法能較全面、精確地獲得巷道圍巖的移動變形和應(yīng)力變化,為進一步確定合理的安全巖柱厚度提供支持。本文對巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)及穩(wěn)定性進行分析,在此基礎(chǔ)上,指導(dǎo)數(shù)值模擬模型的建立,通過數(shù)值模擬分析從理論上研究巷道與被保護層之間的合理安全巖柱厚度。

1 巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)及穩(wěn)定性分析

1.1 深埋巷道彈塑性分布的二次應(yīng)力狀態(tài)

巷道掘進開挖后,巷道周圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化,這種被改變了應(yīng)力狀態(tài)的巖體稱為圍巖,圍巖范圍的大小與巖體的自身特性有關(guān)。圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)就是指開挖后巖體經(jīng)應(yīng)力重新分布后的應(yīng)力狀態(tài)。因此,圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)與巖體自身的力學(xué)性質(zhì)和巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

對于埋深較大的高應(yīng)力巷道,由于作用于巖體上的初始地應(yīng)力較大或巖體的強度較低,巷道掘進后,巷道周圍部分巖體應(yīng)力超過了巖體的屈服強度極限,使這部分巖體處于塑性狀態(tài)。巷道壁面以內(nèi)的巖體,隨著與巷道壁面距離的增大,最小主應(yīng)力也逐漸增大,內(nèi)部巖體強度逐漸提高,使巖體處于彈性狀態(tài)。因此,巷道圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)一般為彈、塑性分布。處在彈、塑性分布中的巷道必須進行支護,否則巷道周圍的巖體將會失穩(wěn),影響巷道的正常使用。

1.2 最大水平應(yīng)力方向與巷道穩(wěn)定性

巷道掘進開挖造成巷道圍巖應(yīng)力重新分布,垂直應(yīng)力向巷道兩幫轉(zhuǎn)移,水平應(yīng)力向頂、底板轉(zhuǎn)移,因而垂直應(yīng)力的影響主要顯現(xiàn)在兩幫,而水平應(yīng)力的影響則主要顯現(xiàn)于頂、底板巖層。

圖1 不同掘進方向的巷道受力情況

方向呈正交關(guān)系的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力在量值上通常相差較大,因此,水平應(yīng)力對巷道頂、底板影響具有明顯的方向性。與最大水平主應(yīng)力呈不同角度掘進的巷道將經(jīng)受不同程度的應(yīng)力集中影響,相應(yīng)的巷道狀況也會有顯著的差別,見圖1。

分析認為:當(dāng)最大水平主應(yīng)力與巷道掘進方向平行時,水平應(yīng)力對巷道的影響最小,最有利于頂?shù)装宓姆€(wěn)定;當(dāng)最大水平主應(yīng)力以一定角度與巷道斜交時,巷道一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中而另一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力釋放,因而頂?shù)装宓淖冃纹茐臅蛳锏赖哪骋粋?cè);當(dāng)最大水平主應(yīng)力與巷道掘進方向相垂直時,水平應(yīng)力對巷道影響最大,最不利于頂?shù)装宓姆€(wěn)定。因此,在隨后進行的數(shù)值模擬計算中,就應(yīng)該按照最不利的情況建模(即巷道走向與最大水平應(yīng)力垂直),分析確定安全巖柱厚度。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

FLAC3D軟件包含11種材料本構(gòu)模型,其中1種空單元模型,3種彈性材料模型和7種塑性模型。摩爾-庫倫模型屬于塑性模型的一種,該模型的破壞包絡(luò)線對應(yīng)于摩爾-庫倫判據(jù)(剪切屈服函數(shù))加上拉伸分離點(拉應(yīng)力屈服函數(shù)),與拉應(yīng)力流動法則相關(guān)聯(lián)而與剪切流動不相關(guān)聯(lián)。針對在煤巖體中開鑿巷道,根據(jù)上面對巷道周圍圍巖應(yīng)力場的分析,認為采用摩爾-庫倫模型能達到最好的模擬效果。

2.2 模型的參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬以平煤股份五礦三水平己-1532020采面地層條件為原型,模擬32020采面上保護層己-15煤層內(nèi)巷道的掘進過程。巷道掘進沿己-15煤層頂板綜掘施工,巷道高度3.5 m。

由于己-15煤層厚度約為1.7 m,巷道施工中會開掘一定厚度的己-15煤層底板。而己-15煤層與己-16、17煤層最小層間距僅為3.3 m,這就使得巷道底板距己-16、17煤層的最小間距不足1.5 m。因此,將模擬在不同的巖柱厚度情況下,巷道底板的移動變形、應(yīng)力變化、塑性區(qū)分布等規(guī)律,為確定合理的預(yù)留安全巖柱厚度提供指導(dǎo),確保己-15煤層煤巷的安全高效掘進。

摩爾-庫倫模型所需參數(shù)包括圍巖密度、體積模量、剪切模量、摩擦角、粘聚力和剪脹角。由于實驗室物理力學(xué)性質(zhì)實驗得到的巖石力學(xué)性質(zhì)比巖體的物理力學(xué)參數(shù)要大,根據(jù)前蘇聯(lián)恩·默罕默德(N.Mohammand)等專家在大量現(xiàn)場試驗和實驗室試驗的結(jié)果,總結(jié)出了現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)與實驗室測得數(shù)據(jù)的一些比值關(guān)系如下:

(1)現(xiàn)場測得的彈性模量y和實驗室測試的彈性模量x之間的關(guān)系:y=0.469x;

(2)現(xiàn)場測試的抗拉強度y和實驗室測試的抗拉強度x之間的關(guān)系:y=0.5x;

(3)現(xiàn)場測試的泊松比y和實驗室測試的柏松比x之間的關(guān)系:y=x。

謝文兵等將以上規(guī)律應(yīng)用到FLAC3D模擬中,經(jīng)大量數(shù)值模擬結(jié)果驗證,證明其規(guī)律在數(shù)值模擬中是可靠的。依照此規(guī)律對己-15煤層頂、底板巖體的物理力學(xué)參數(shù)折減后得到巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型材料力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬方案

依據(jù)己-1532020采面地層條件,對實際巷道考慮其主要因素,對模型進行簡化,建立的模型外部尺寸為40 m×24 m×38 m。本次試驗?zāi)M了巖柱厚度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m和4 m共7種情況下的巷道掘進情況,因此各模型的網(wǎng)格劃分有所不同,圖2為3 m巖柱厚度下的模型計算網(wǎng)格圖。

圖2 3 m巖柱厚度計算網(wǎng)格圖

由于己-1532020采面為深部開采,埋深900～1000 m,因此模型采用人工邊界。根據(jù)礦方提供的地應(yīng)力資料,本計算模型的邊界條件如下:在模型頂部采用應(yīng)力邊界條件,即垂直應(yīng)力σV=27 MPa。其他邊界使用位移邊界條件,即單約束邊界,在模型的地面約束所有Z方向的自由度,在平行于巷道走向的兩側(cè)約束X方向上的自由度,垂直于巷道走向的兩側(cè)約束Y方向的自由度。

在所有采礦工程開始開挖和構(gòu)造之前,都有一個原始應(yīng)力狀態(tài)。FLAC3D中,通過設(shè)置初始條件(initial命令)來模擬這種原始狀態(tài)。在此,施加27 MPa的垂直應(yīng)力(S ZZ),考慮到最大水平應(yīng)力垂直于巷道走向時對巷道的影響最大,故施加30.5 MPa的最大水平應(yīng)力(S X X),方向垂直于巷道走向,施加19 MPa的最小水平應(yīng)力(S YY),方向平行于巷道走向?？紤]到己-16、17煤層實測的瓦斯壓力較大,不能忽視瓦斯壓力對頂?shù)装鍘r柱的影響,而瓦斯壓力實質(zhì)上為瓦斯膨脹能的作用,因此把瓦斯壓力簡化為垂直于煤層作用在頂?shù)装宓牧Α?/p>

根據(jù)現(xiàn)場的實際掘進情況,模型每次掘進1 m。

2.4 結(jié)果分析

為了研究最小預(yù)留安全巖柱的厚度,選取了底板拉應(yīng)力和位移量兩個分析指標(biāo),同時結(jié)合巷道掘進后的圍巖塑性分布情況進行綜合判定。

根據(jù)模擬結(jié)果,在地應(yīng)力和瓦斯壓力共同作用下,最大應(yīng)力集中區(qū)主要發(fā)生在巷道底角部,而最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在巷道底板的中部,因此主要的控制區(qū)是在巷道的底板。分別模擬了4 m、3.5 m、3 m、2.5 m、2 m、1.5 m和1 m巖柱厚度下,巷道開挖后的變形情況。各情況下的位移量和最大拉應(yīng)力見表2,曲線圖見圖3和圖4。

表2 巷道底板應(yīng)力及變形量

從表2、圖3和圖4可以看出,預(yù)留巖柱厚度大于2.5 m時,巷道底板的拉應(yīng)力和垂直方向位移量隨巖柱厚度的減小而緩慢增加;當(dāng)預(yù)留巖柱在2～2.5 m之間時,拉應(yīng)力和位移量的增速有所增加,但絕對值增加不顯著;當(dāng)預(yù)留巖柱小于2 m時,拉應(yīng)力急劇增加,當(dāng)預(yù)留巖柱減少到1 m時,拉應(yīng)力達到1.57 MPa,比2.5 m時的拉應(yīng)力增大了近1倍。因此,2.5 m的厚度可以看成是底板巖柱穩(wěn)定性的臨界厚度。

同時,圍巖的塑性變形也是影響圍巖穩(wěn)定性的一個重要因素,巷道圍巖的塑性分布如圖5～圖8。FLAC3D在每個計算循環(huán)中,各區(qū)域(zone)都根據(jù)破壞準(zhǔn)則(failure criterion)因受剪(shear)或受拉(tension)而處于不同的塑性狀態(tài),n和p分別表示在現(xiàn)在(now)和以前(previous)循環(huán)中所處的塑性狀態(tài)。

圖5 巖柱厚度3 m塑性松動區(qū)分布圖

從圖5～圖8可以看出,當(dāng)巖柱厚度大于2.5 m時,巷道塑性單元較少,且基本穩(wěn)定;當(dāng)巖柱厚度小于2.5 m時,巷道底板的塑性松動單元急劇增加;當(dāng)巖柱厚度為1.5 m時,底板下的己-16、17煤也出現(xiàn)了較大范圍的塑性變形區(qū)。因此,結(jié)合前面對底板拉應(yīng)力和位移量從力學(xué)角度分析認為,在圍巖均質(zhì)完整情況下的煤巷掘進的最小預(yù)留防突巖柱厚度不應(yīng)小于2.5 m?？紤]到在現(xiàn)實情況下圍巖的非均質(zhì)性及巖體裂隙等因素的影響,在無地質(zhì)構(gòu)造和巖體較完整的情況下,現(xiàn)場掘進時預(yù)留安全巖柱厚度應(yīng)不小于3 m。

3 結(jié)論

本文先對巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)及穩(wěn)定性進行分析,進而對近距離上保護層巷道掘進進行計算機數(shù)值模擬。通過分析,確定了底板拉應(yīng)力和位移量兩個可行的研究指標(biāo),并結(jié)合現(xiàn)場實際對巷道圍巖塑性松動區(qū)分布的比較分析,確定了己-1532020采面上保護層內(nèi)煤巷掘進時,巷道底板與被保護層之間的最小防突巖柱厚度為3 m。

[1] 郭勇義,何學(xué)秋,林柏泉.煤礦重大災(zāi)害防治戰(zhàn)略研究與進展[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[2] 周世寧,鮮學(xué)福,朱旺喜.煤礦瓦斯災(zāi)害防治理論戰(zhàn)略研討[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2001

[3] 錢鳴高、石五平.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[4] N.Mohammand.The Relation between in situ and Laboratory Rock Properties Used in Numerical Modeling[J].Int.J.Rockmech.Min.Sci.1997(2)

[5] 謝文斌、陳曉祥.采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005

Numerical analysis on outburst prevention of floor rock column during excavation in contiguous coal seams

Ning Jun1,2,Lin Boquan1,2,Zhang Zhiyu1,2,Meng Jie1,2,Zhang Mengbo1,2

(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

The F15-32020 working face of the 5thCoal Mine of pingdingshan Tian’an Coal Mining Company Ltd.was located in the upper protective coal seam.The distance between the floor and the protected coal seam is too short,which possibly induces coal seam to break through floor rock and causes the coal and gas outburst during excavation.The reasonable thickness of floor rock column for outburst prevention was obtained by using FLAC3Dnumerical calculation program.The results showed that the minimum thickness of rock column during evacuation should not be less than 2.5 m for the uniform and integrated surrounding rock according to mechanical analysis.In view of the practical operation,the safe thickness of protective rock column should not be less than 3 m.

contiguous seams coal drift excavation,coal and gas outburst,floor burst,protective rock column

TD713.31

A

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助(973計劃)(2011CB201205);國家自然科學(xué)基金資助項目(51074161)

寧俊(1985-),男,山東泰安人,碩士研究生,從事煤礦安全監(jiān)測和安全管理等方面研究。

(責(zé)任編輯 梁子榮)