長平礦保護(hù)層開采時上覆巖層移動規(guī)律研究

寧海棟

(晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 長平煤礦,山西 晉城 048000)

山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司長平礦3#煤層瓦斯含量高、透氣性低、分布不均勻，煤層構(gòu)造復(fù)雜，測得原始瓦斯含量為6.5～7.8 m3/t，其中地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域瓦斯含量達(dá)到15.09 m3/t，礦井瓦斯涌出量較大，瓦斯放散初速度為14.3～20.6 mL/s，透氣性系數(shù)為0.011 6 ～0.052 0 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.110 1～0.114 7 d-1，屬于較難抽采煤層。

在生產(chǎn)過程中，局部區(qū)域曾多次發(fā)生瓦斯異常涌出，已嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)。為了降低3#煤層瓦斯含量，減小瓦斯對礦井安全生產(chǎn)的影響，長平礦決定通過開采下保護(hù)層8#煤層，治理采掘工作面瓦斯災(zāi)害問題。為更合理地設(shè)計(jì)保護(hù)層工作面開采技術(shù)參數(shù)，確定頂板管理方案，本文主要通過UDEC數(shù)值模擬，分析了保護(hù)層8#煤層頂板巖層在采掘活動條件下的移動規(guī)律。

1 UDEC數(shù)值計(jì)算方法

目前，針對礦山煤(巖)層開采研究所采用的數(shù)值模擬方法主要包括有限元法、有限差分法、離散單元法等。其中有限元法應(yīng)用最為廣泛，特別是在研究地下煤(巖)層應(yīng)力和變形方面，相比其他方法更加成熟完善，但是該方法所存在的缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)煤(巖)層移動的連續(xù)性和均勻性建設(shè)或假設(shè)，由于煤巖層裂隙、裂紋分布極其復(fù)雜，存在不連續(xù)非均勻切割面，因此,在巖石變形移動過程中有限元法無法對區(qū)域中不連續(xù)面進(jìn)行數(shù)值模擬。然而，離散單元法可以求解區(qū)域中大量的不連續(xù)面，能夠更加容易地處理大變形、大位移及動態(tài)問題，而且所用材料的本構(gòu)關(guān)系相對比較簡單，材料參數(shù)數(shù)目相對較少，所反映的巖體開采后的運(yùn)移過程更為直觀。

Universal Distinct Element Code(UDEC)，即通用離散元程序，是基于離散元基本理論而建立的，UDEC實(shí)現(xiàn)了煤(巖)層移動模擬的連續(xù)性和均勻性建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對模擬煤(巖)層的節(jié)理裂隙劃分，能較好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。同時，在UDEC中還可以獲得邊界元邊界，用于模擬無限彈性邊界，也可以獲得半平面解，用來描述自由面效應(yīng)。

2 模型創(chuàng)建

本文采用通用離散元程序(UDEC)數(shù)值模擬方法，以長平礦8#煤層84301工作面為原型構(gòu)建相對應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型。結(jié)合84301工作面巖層分布規(guī)律及頂?shù)装鍘r層性質(zhì)，建立數(shù)值模擬力學(xué)模型(見圖1)，模型幾何尺寸長×寬為200 m×85 m，84301工作面UDEC數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

圖1 數(shù)值模擬力學(xué)模型圖

圖2 84301工作面開采UDEC數(shù)值模型圖

數(shù)值計(jì)算模型各煤巖層的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，可通過長平礦8#煤層頂?shù)装迕簬r物理力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的換算，見表1，巖層節(jié)理裂隙劃分依據(jù)現(xiàn)場觀測與模擬經(jīng)驗(yàn)選取。

表1 84301工作面頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)測定表

數(shù)值模型邊界條件及載荷條件的確定見表2。

表2 數(shù)值模型邊界條件定義表

載荷條件確定如下：通過現(xiàn)場考察調(diào)研，可以確定長平礦區(qū)域地應(yīng)力場屬于水平應(yīng)力場，地應(yīng)力是以水平壓應(yīng)力為主導(dǎo)，剖面模型上部邊界通過施加上覆巖層的重力作為等效應(yīng)力，約為11.5 MPa，水平方向施加約為17.86 MPa的載荷。

3 數(shù)值模擬過程

3.1 模擬方案

通過UDEC數(shù)值模擬方法，主要分析8#煤層開采過程中84301工作面上覆巖層移動規(guī)律、工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和圍巖變形規(guī)律。采用如圖2所示的數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行兩次數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別沿工作面走向和傾向進(jìn)行數(shù)值模擬。

84301工作面開采高度為1.5 m，走向模擬：從距模型邊界50 m處進(jìn)行開采，每次開采長度為2 m，共開采50步；傾向模擬：工作面長度為150 m，兩側(cè)各留25 m煤體。數(shù)值計(jì)算包括以下內(nèi)容：保護(hù)層開采條件下84301工作面上覆巖層運(yùn)動規(guī)律；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并計(jì)算分析確定直接頂及老頂?shù)某醮慰迓洳骄嗪椭芷诳迓洳骄啵?4301工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和圍巖位移量規(guī)律。

3.2 模擬計(jì)算

根據(jù)構(gòu)建的UDEC數(shù)值計(jì)算模型，按要求設(shè)置模型的邊界條件、加載條件、計(jì)算時步等參數(shù)，開始進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模型計(jì)算過程中，84301工作面頂板來壓時的運(yùn)動形態(tài)見圖3，4。

a) 工作面推進(jìn)20 m直接頂初次跨落

b) 工作面推進(jìn)34 m老頂初次跨落

c) 工作面推進(jìn)44 m老頂?shù)诙慰缏?/p>

d) 工作面推進(jìn)58 m老頂?shù)谌慰缏?/p>

圖4 84301工作面傾向位移分布情況示意圖

3.3 模擬結(jié)果分析

1) 工作面來壓步距分析。

隨著84301工作面采掘的不斷進(jìn)行，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，致使采空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布，頂板巖層發(fā)生一定幅度的變形、位移變化。

模擬數(shù)據(jù)結(jié)果(圖3)顯示：84301工作面推進(jìn)到20 m時，直接頂發(fā)生初次垮落，頂板最大位移為1.4 m；當(dāng)84301工作面推進(jìn)到34 m時，老頂發(fā)生初次垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)44 m時，老頂再次垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)到58 m時，老頂?shù)谌慰迓?，即老頂發(fā)生周期性垮落。

由上述模擬結(jié)果分析可知，工作面直接頂初次來壓步距為20 m，老頂初次來壓步距平均為34 m，老頂周期來壓步距10～14 m，工作面上覆巖層移動角約76°。

2) 工作面煤壁前方支承壓力分布規(guī)律分析。

當(dāng)84301工作面周期來壓時，煤壁前方圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律情況見圖5～7，具體分析如下：

a) 直接頂初次來壓時，84301工作面煤壁前方支承壓力的影響范圍為0～19 m，其中1～4 m范圍內(nèi)為應(yīng)力峰值區(qū)，應(yīng)力值為17～22 MPa。

b) 老頂初次來壓時，煤壁前方支承壓力的影響范圍為0～24 m，其中，1～5 m范圍內(nèi)為應(yīng)力峰值區(qū)，應(yīng)力值為20～27 MPa。

c) 老頂?shù)诙蝸韷簳r，煤壁前方支承壓力的影響范圍為0～28 m，其中1～6 m范圍內(nèi)為應(yīng)力峰值區(qū)，應(yīng)力值為21～32 MPa。

4 結(jié) 論

1) 通過UDEC數(shù)值模擬，得出在8#煤層開采條件下，84301工作面直接頂初次垮落步距為20 m，老頂初次垮落步距為34 m，老頂周期來壓步距10～14 m，巖層移動角約76°。

圖5 直接頂初次來壓時工作面前方應(yīng)力分布圖

圖6 老頂初次來壓時工作面前方應(yīng)力分布圖

圖7 老頂?shù)诙蝸韷簳r工作面前方應(yīng)力分布圖

2) 模擬分析工作面圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律為：84301工作面老頂來壓時，煤壁前方支承壓力的影響范圍為0～24 m，應(yīng)力峰值區(qū)為1～5 m，峰值區(qū)應(yīng)力值為21～32 MPa。

3) 數(shù)值模擬方法確定的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可保護(hù)層開采期間8#煤層工作面頂板管理、回采巷道超前支護(hù)設(shè)計(jì)等提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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