良莊煤礦上保護層開采卸壓機理與保護范圍數(shù)值模擬研究

魯明星

(唐山學(xué)院土木工程系，河北 唐山 063000)

良莊煤礦上保護層開采卸壓機理與保護范圍數(shù)值模擬研究

魯明星

(唐山學(xué)院土木工程系，河北 唐山 063000)

以良莊煤礦3213、3214上保護層工作面為工程背景，研究分析了上保護煤層開采卸壓機理，為確定上保護煤層開采后下部保護范圍，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了實際地質(zhì)條件下保護層開采行為。研究表明：隨上保護層開采范圍的增加，底板一定范圍內(nèi)的煤巖層在采空區(qū)內(nèi)部呈現(xiàn)卸壓，卸壓區(qū)內(nèi)卸壓效果明顯，卸壓范圍逐漸增大，應(yīng)力分布由“V”型分布逐漸變?yōu)椤癠”型分布，但邊界處應(yīng)力集中情況逐漸增大，應(yīng)力峰值與范圍增加。通過綜合經(jīng)驗法和卸壓準則判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面內(nèi)錯3214切眼位置19 m，停采線位置內(nèi)錯19 m，運煤巷內(nèi)錯17 m。

上保護層 卸壓機理 保護范圍 數(shù)值模擬

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，對煤炭資源的需求量日益增加，從而導(dǎo)致賦存條件簡單以及埋深較淺的煤炭資源逐漸枯竭，現(xiàn)在我國一些礦井正在進入深部開采階段。在深部開采時出現(xiàn)沖擊地壓，增加了煤炭開采的復(fù)雜性，沖擊地壓事故日益增加。沖擊地壓頻發(fā)成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的重要因素，沖擊地壓發(fā)生時會對經(jīng)濟造成巨大的損失以及造成工作人員的傷亡。因此，防治沖擊地壓已成為當(dāng)前礦山的首要任務(wù)[1-3]，為此許多學(xué)者做了大量的研究與討論，提出了許多有效的防治措施，其中保護層開采被認為是預(yù)防沖擊地壓發(fā)生最有效、最經(jīng)濟的措施[4-6]。保護層開采后，其下伏煤巖層發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙，使被保護層釋放大量的彈性能，降低發(fā)生沖擊地壓的可能性。我國對保護層開采研究集中于下保護層，在下保護層開采的卸壓原理、應(yīng)力場分布規(guī)律方面取得了大量的研究成果，通過下保護層的應(yīng)力集中的有效防范，大大降低了沖擊地壓的發(fā)生。但在下保護層開采不能滿足要求，必須采用上保護層開采時，人們對卸壓機理的產(chǎn)生，卸壓保護范圍等方面研究的較少。因此研究上保護層開采的卸壓原理、卸壓保護范圍以及上保護層應(yīng)力場分布規(guī)律對保護層沖擊地壓的防治具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

良莊煤礦上保護層3213、3214工作面位于三采區(qū)西南地面標高+191.76 m，井下標高-472.7～-546.7 m，埋深664～738 m。煤層厚度0.6～2.2 m，均厚1.65 m，含一層穩(wěn)定的炭質(zhì)砂巖夾矸，厚約0.06 m；煤層傾角為7°～17°，平均13°。根據(jù)工作面實際揭露和鉆孔資料，煤2以上局部發(fā)育煤2上分層，煤2至上分層間距變化較大，間距在3.0～8.0 m之間。被保護層3413和3414工作面，地面標高+191.76 m，井下標高-455.8～-564.2 m，埋深647～756 m。煤結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，煤層平均厚度1.80 m，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層呈塊狀，硬度較大；2層煤與4層煤相距30 m左右。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 工作面煤層柱狀圖

2 上保護層開采卸壓機理

保護層開采作用機理的核心是卸壓作用，而卸壓作用產(chǎn)生于分力結(jié)構(gòu)拱的形成與結(jié)構(gòu)拱內(nèi)部煤巖層的運動與破壞。由于巖體本身是一種缺陷介質(zhì)，它在構(gòu)造成巖過程中，受構(gòu)造作用影響產(chǎn)生變形，形成由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的既連續(xù)又不連續(xù)的裂隙體。受上保護層開采影響，巖體破壞，一定范圍內(nèi)巖體的結(jié)構(gòu)改組、結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)喪失，伴隨這種破壞的發(fā)生使巖體本身的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)得到一定程度上改變，為能量的釋放、轉(zhuǎn)移提供了前提與基礎(chǔ)；保護層開采后圍巖運動，由于巖體的碎脹性，直接頂垮落形成“松散破碎弱結(jié)構(gòu)”層，基本頂形成“不等高裂隙結(jié)構(gòu)”層，底板一定范圍內(nèi)產(chǎn)生底鼓，形成“底鼓裂隙”層，這些結(jié)構(gòu)的形成極大削弱了應(yīng)力集中與能量傳遞情況。故保護層開采機理可總結(jié)為開采上保護層—圍巖移動與破壞—分力結(jié)構(gòu)拱形成—被保護層應(yīng)力降低—積聚彈性能降低—沖擊危險性降低。

3 數(shù)值模擬軟件與計算模型

3.1 數(shù)值模擬軟件FLAC3D

FLAC3D是三維顯式快速拉格朗日分析程序，采用有限差分原理模擬巖土材料的三維力學(xué)行為，可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化、大變形等問題[5-6]。因此，F(xiàn)LAC3D適合于模擬煤層大范圍開采過程中支承壓力的三維分布特征。

3.2 模型尺寸及邊界條件

以良莊煤礦3214工作面開采為背景，利用FLAC3D模擬3214開采后，煤層底板巖體應(yīng)力分布規(guī)律及其影響范圍，為了準確地模擬上保護煤層開采厚度對保護煤層保護效果的影響，建立尺寸為500 m×800 m×110 m的數(shù)值模型。在X方向設(shè)定正負2個方向上約束為0，Y方向正負2個方向約束為0，Z負方向上約束為0。上邊界為自由邊界，該模型上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力為14.5 MPa。計算模型采用摩爾-庫倫準則計算，煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

圖2是3214推進至不同位置(50、100、150、200、250、300 m)時，傾向中部采場圍巖走向垂直應(yīng)力分布圖，用于分析隨著工作面的推進保護層應(yīng)力場分布規(guī)律。

圖2 隨工作面開采應(yīng)力場分布云圖

由圖2可知，上保護層工作面沿走向推進過程中頂?shù)装迕簬r層內(nèi)出現(xiàn)卸壓區(qū)，卸壓區(qū)隨工作面開采范圍逐漸增大，部分區(qū)域垂直應(yīng)力接近0；切眼后方及工作面煤壁前部出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)隨工作面推進距離增加逐漸增大；隨著采空區(qū)范圍的擴大，在頂板巖層整體下沉移動的作用下，采空區(qū)冒落矸石逐漸被壓實，采空區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)情況。

為準確反映4煤頂板在2煤開采過程中的應(yīng)力變化情況，運用FLAC中hist命令采集數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后得到保護層采動影響下被保護層頂板處應(yīng)力變化曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 4煤頂板沿走向垂直應(yīng)力隨開采長度的變化

圖4 4煤頂板傾向垂直應(yīng)力變化

模型開挖50 m時，工作面前方與開切眼后方形成應(yīng)力集中，應(yīng)力增加到20.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2，采空區(qū)下部出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，卸壓呈“V”型對稱分布，中間位置應(yīng)力最小為10.1 MPa，比原巖應(yīng)力下降了10.1 MPa。模型開挖到100 m時工作面前方與開切眼后方應(yīng)力集中情況增大，應(yīng)力增加到23.4 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.4，卸壓范圍變大，最小垂直應(yīng)力小于5 MPa。隨著開采長度由150 m增加至300 m過程中，工作面前方與開切眼后方應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，同時采空區(qū)下部的卸壓范圍逐漸增加，卸壓呈“U”型分布，卸壓程度也逐漸增大并穩(wěn)定，在模型開挖到150 m處，中間位置的最小應(yīng)力降到0。當(dāng)模型開挖到300 m處，應(yīng)力降到10 MPa以下區(qū)域占到工作面開采長度的90%，應(yīng)力降到5 MPa以下區(qū)域占到工作面開采長度的73%。

圖4為3214工作面回采完畢后，運煤巷邊界處應(yīng)力在4煤頂板處的分布情況，由于3214軌道巷側(cè)采空邊界為兩側(cè)臨空煤柱，受側(cè)向支承壓力影響，運煤巷煤壁側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)為約為2.0，垂直應(yīng)力隨距煤壁距離的增大逐漸降低，在采空區(qū)中部垂直應(yīng)力達到最低狀態(tài)。

5 保護層開采被保護層范圍確定

5.1 沿傾向保護范圍

2煤層的傾角平均13°，對照現(xiàn)場實際情況可確定保護層開釆后，沿傾斜方向的卸壓角都為75°，由于實際生產(chǎn)過程中3413、3414共用1條軌道巷，因此可確定被保護層工作面運煤巷內(nèi)錯距離為30 m×cot75°=8.0 m，如圖5所示。

5.2 沿走向保護范圍

若良莊礦2煤層取卸壓角平均值58°，2煤與4煤之間的法向距離取30 m，則可分別計算出開切眼及停采線向內(nèi)錯動的距離：開切眼向里內(nèi)錯30 m×cot58°=18.75 m，停采線向里內(nèi)錯30 m×cot58°=18.75 m；如圖6所示。

圖5 2煤傾向保護范圍示意

圖6 2煤走向保護范圍示意

5.3 卸壓判定法確定的保護范圍

首先確定卸壓判定準則下應(yīng)力：

即垂直應(yīng)力小于17.5 MPa時巷道布置位置合適，根據(jù)圖3、圖4中保護層開采完畢后應(yīng)力分布曲線可確定，3414工作面內(nèi)錯3214切眼位置19 m，停采線位置內(nèi)錯19 m，運煤巷內(nèi)錯17 m時，應(yīng)力符合判定準則。

綜合經(jīng)驗法和卸壓準則判定法最終取3414工作面內(nèi)錯3214切眼位置19 m，停采線位置內(nèi)錯19 m，運煤巷內(nèi)錯17 m，為3213、3214對3414的保護范圍。

6 保護層卸壓效果分析

未采用保護層開采，鄰近工作面正常區(qū)域鉆孔煤粉量記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 未保護區(qū)域鉆屑法監(jiān)測記錄

注：①鉆孔施工區(qū)域尚未進行卸壓，煤粉量平均2.45 kg/m，單米最大值為3.9 kg/m，均未超過臨界值，但已接近臨界值；②無沖擊危險。

在完全保護作用下，取3414運煤巷側(cè)鉆孔數(shù)據(jù)記錄鉆孔煤粉量，如表3所示。

表3 完全保護區(qū)域鉆屑法監(jiān)測記錄

注：①鉆孔施工區(qū)域未采取卸壓措施，煤粉量平均1.85 kg/m，單米最大值為2.8 kg/m，未超過危險煤粉量，無沖擊危險，保護作用效果明顯；②無沖擊危險。

通過對比表2、表3可知，在上保護層完全保護作用下，不管是平均煤粉量，還是單米最大煤粉量都明顯小于未采用保護層開采的情況，說明上保護層開采對沖擊地壓防治起到了明顯的效果。

7 結(jié) 論

(1)分析了上保護層開采卸壓機理，卸壓機理為：開采上保護層—圍巖移動與破壞—分力結(jié)構(gòu)拱形成—被保護層應(yīng)力降低—積聚彈性能降低—沖擊危險性降低。

(2)采用FLAC3D模擬了上保護層開采應(yīng)力場分布規(guī)律，隨上保護層開采范圍的增加，底板一定范圍內(nèi)的煤巖層在采空區(qū)內(nèi)部呈現(xiàn)卸壓，卸壓區(qū)內(nèi)卸壓效果明顯，卸壓范圍逐漸增大，應(yīng)力分布由“V”型分布逐漸變?yōu)椤癠”型分布，但邊界處應(yīng)力集中情況逐漸增大，應(yīng)力峰值與范圍增加。

(3)通過綜合經(jīng)驗法和卸壓準則判定法得到3414工作面合理布置：3414工作面內(nèi)錯3214切眼位置19 m，停采線位置內(nèi)錯19 m，運煤巷內(nèi)錯17 m；采用鉆屑法檢測對卸壓效果進行了分析，得到完全保護作用下鉆屑量危險性明顯小于未采用保護層開采技術(shù)的區(qū)域，卸壓后在煤柱影響區(qū)域通過鉆屑法檢測，鉆屑量和完全保護作用下的鉆屑相差不大，沖擊危險性得到消除。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Pressure Relief Mechanism at Upper Protective Layer Mining in Liangzhuang Coal Mine and Numerical Simulation of Protection Scope

Lu Mingxing

(DepartmentofCivilEngineering，TangshanCollege，Tangshan063000，China)

With 3213，3214 working face of protective layer in Liangzhuang Coal Mine as the engineering background，the pressure relief mechanism of upper protection layer is analyzed.In order to determine the protection scope of the lower coal seam after upper protective layer mined.FLAC3Dnumerical simulation software was used to simulate the protective layer mining under actual geological conditions.Research shows that：with the increase of mining scope of protective layer，a certain range of coal strata on the floor is showing as in pressure relief at internal goaf with obvious effect in pressure relief zone.The range of pressure relief zone increases gradually.The stress distribution shows as the “U” type gradually from “V” type.Stress concentration at the boundary is gradually increased，and its peak stress and range is also increased；Through the comprehensive experience method and the pressure relief criteria，a reasonable arrangement of 3414 working face was determined.The open-off cut located at 19 m from 3414 working face internal misaligned with 3214 working face，the mining line stopped at 19 m，and the coal lane is at 17 m in turn.

Upper protective layer，Pressure relief mechanism，Protection scope，Numerical simulation

2015-03-01

河北省科技廳項目(編號：10276723)。

魯明星(1976—)，男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士研究生。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-007-05