不同埋深大采高綜放采場(chǎng)圍巖變形機(jī)理研究

劉 飛，馬占國(guó)，韓永勝，夏青森

(1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

?

不同埋深大采高綜放采場(chǎng)圍巖變形機(jī)理研究

劉 飛，馬占國(guó)，韓永勝，夏青森

(1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

目的 厚松散層、薄基巖、特厚煤層地質(zhì)條件下采場(chǎng)圍巖控制是煤礦向西部開發(fā)亟需解決的難題之一。研究西部特殊地質(zhì)條件下的圍巖變形控制機(jī)理，對(duì)大采高綜放工作面圍巖控制具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。方法 以不連溝煤田資源開采地質(zhì)條件為背景，采用3DEC大型離散元軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型。結(jié)果 系統(tǒng)研究了工作面埋深對(duì)采場(chǎng)圍巖的變形破壞規(guī)律和應(yīng)力分布特征的影響規(guī)律，揭示了大采高綜放采場(chǎng)圍巖變形機(jī)理。結(jié)論 工作面中部圍巖水平位移較小、垂直位移較大，兩端頭圍巖水平位移較大、垂直位移較??；采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值和垂直應(yīng)力峰值隨埋深逐漸增大，采場(chǎng)圍巖的垂直應(yīng)力峰值大于水平應(yīng)力峰值。

厚松散層；大采高；3DEC；圍巖變形

0 引 言

中國(guó)厚煤層資源十分豐富，其儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的45%。目前，煤炭是國(guó)內(nèi)的主要能源，分別占能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的76%和69%[1]。1982年國(guó)內(nèi)開始推廣厚煤層綜放采煤技術(shù)，到1994年12年間已有28個(gè)礦物局60多個(gè)綜放工作面投產(chǎn)，1997年間綜放工作面已增加至92個(gè)，隨著綜采放頂煤技術(shù)的不斷完善，該技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)解決厚煤層開采難題和實(shí)現(xiàn)礦井安全高產(chǎn)的有效途徑[2]。

厚松散層、薄基巖、特厚煤層采場(chǎng)高強(qiáng)度綜放開采容易導(dǎo)致劇烈的礦壓顯現(xiàn)[3]和頂板災(zāi)害，給礦井安全帶來一系列隱患。同時(shí)，大采高綜放開采會(huì)導(dǎo)致地表變形移動(dòng)幅度大、下沉明顯，產(chǎn)生破壞地表植被、地層水系[4,5]等一系列環(huán)境影響。開展不同埋深大采高綜放采場(chǎng)圍巖變形機(jī)理研究，為礦井的生產(chǎn)安全和高產(chǎn)高效做一些技術(shù)準(zhǔn)備。

1 工程地質(zhì)條件

不連溝煤田位于鄂爾多斯黃土高原，呈典型的黃土高原地貌。以不連溝煤礦F6203工作面為工程背景，F(xiàn)6203工作面地形為西高東低中間洼，地表為黃土層，厚20.0～34.1 m，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，沖溝發(fā)育,蛾家溝斜穿本面中部，溝內(nèi)正常無流水，雨季最大過水量20 m3·h-1。

表1 工作面位置及井上下關(guān)系表

2 計(jì)算模型與方案

針對(duì)不連溝煤田基巖薄、煤層厚等特點(diǎn)，采用3DEC大型離散元軟件[6-10]，建立三維采動(dòng)巖體變形計(jì)算模型，分析工作面埋深[11-14]對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的影響。

2.1 模型建立與參數(shù)選擇

(1)模型的建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件，建立綜放工作面三維采動(dòng)巖體變形計(jì)算模型：模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=300 m×200 m×50 m，工作面布置及開采方式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相對(duì)應(yīng)，工作面長(zhǎng)×寬×高=240 m×100 m×16 m，兩順槽斷面尺寸寬×高=5.5 m×3.7 m。模型邊界條件為：限制側(cè)向邊界水平位移，底面邊界限制豎向位移；根據(jù)等效載荷計(jì)算公式：q=γ×h，其中取γ=2.5 kN·m-3為巖層平均容重，h為基巖層厚度增加高度，并根據(jù)側(cè)壓系數(shù)給模型施加相應(yīng)的水平應(yīng)力。三維模型及節(jié)理網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 三維采動(dòng)巖體變形計(jì)算模型

(2)圍巖物理力學(xué)參數(shù)選擇

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取煤(巖)塊進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)，性能參數(shù)見表2，試驗(yàn)結(jié)果表明采場(chǎng)圍巖在受載壓縮過程中的變形和破壞表現(xiàn)出彈塑性，符合彈塑性模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，故本次數(shù)值計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則模型進(jìn)行相關(guān)塊體結(jié)構(gòu)模擬分析，采用庫(kù)倫滑移本構(gòu)模型進(jìn)行相關(guān)節(jié)理面分析。

本次數(shù)值計(jì)算模擬大采高綜放開采，首先根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，施加相應(yīng)的應(yīng)力和位移邊界條件，然后進(jìn)行模型初始平衡，使模型達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，最后進(jìn)行綜放工作面頂板破斷的相關(guān)計(jì)算。相關(guān)數(shù)值計(jì)算步驟大致為：建立模型→初始平衡→巷道開挖→巷道支護(hù)→模型平衡計(jì)算→工作面開采→模型平衡計(jì)算→結(jié)果輸出。

表2 圍巖物理力學(xué)性能參數(shù)

2.2 計(jì)算方案

采用單因素分析方法，設(shè)計(jì)模擬方案，分析工作面埋深對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。數(shù)值計(jì)算方案見表3。

3 工作面埋深影響分析

表3 工作面埋深影響計(jì)算方案

工作面埋深決定了采場(chǎng)圍巖中垂直應(yīng)力的大小，垂直應(yīng)力是影響采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的主要因素。通過模擬工作面埋深為200、400、600、800、1 000 m 5種方案，對(duì)比分析工作面埋深對(duì)采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性的影響。

3.1 采場(chǎng)圍巖變形規(guī)律研究

大采高綜放工作面開采后，不同埋深采場(chǎng)圍巖位移云圖如圖2和圖3所示。

圖2 不同埋深采場(chǎng)圍巖水平位移云圖

由圖2和圖3可以看出，不同埋深大采高綜放工作面采場(chǎng)圍巖位移云圖特征相似。采場(chǎng)圍巖水平位移特征：工作面中部圍巖水平位移較小，兩端頭圍巖水平位移較大，工作面開采后端頭圍巖形成砌體梁結(jié)構(gòu)，塊體B的左上角和右下角水平位移最大；采場(chǎng)圍巖垂直位移特征：工作面中部圍巖垂直位移較大，兩端頭圍巖垂直位移較小，采場(chǎng)圍巖垂直位移從工作面中部圍巖向兩端頭圍巖呈“倒圓臺(tái)形”發(fā)展。

圖3 不同埋深采場(chǎng)圍巖垂直位移云圖

圖4 不同埋深端頭圍巖水平位移峰值

由圖4可以看出，隨著埋深的增大，端頭圍巖水平位移峰值呈增大的趨勢(shì)；工作面埋深為200 m時(shí)，端頭圍巖水平位移峰值為2.52 m，工作面埋深為400 m時(shí)，端頭圍巖水平位移峰值為4.65 m，比埋深為200 m時(shí)增大了2.04 m，約增加了81%；工作面埋深為600 m時(shí)，端頭圍巖水平位移峰值為4.24 m，比埋深為200 m時(shí)增大了1.72 m，約增加了68%；工作面埋深為800 m時(shí)，端頭圍巖水平位移峰值為5.16 m，比埋深為200 m時(shí)增大了2.64 m，約增加了105%；工作面埋深為1 000 m時(shí)，端頭圍巖水平位移峰值為5.50 m，比埋深為200 m時(shí)增大了2.98 m，約增加了118%。

3.2 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布特征研究

大采高綜放工作面開采后，不同埋深采場(chǎng)圍巖應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可以看出，不同埋深大采高綜放工作面采場(chǎng)圍巖應(yīng)力云圖特征相似。采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力特征：工作面中部圍巖和區(qū)段煤柱水平應(yīng)力較大，兩端頭圍巖水平應(yīng)力較?。徊蓤?chǎng)圍巖垂直應(yīng)力特征：工作面中部圍巖和區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力較大，兩端頭圍巖垂直應(yīng)力較小。兩端頭圍巖區(qū)域的拉應(yīng)力大于端頭圍巖的抗拉強(qiáng)度，兩端頭圍巖區(qū)域處于拉破壞狀態(tài)。

圖5 不同埋深采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力云圖

圖6 不同埋深采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力云圖

圖7 不同埋深采場(chǎng)圍巖應(yīng)力峰值

由圖7可以看出，隨著埋深的增大，采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值和垂直應(yīng)力峰值逐漸增大，采場(chǎng)圍巖的垂直應(yīng)力峰值大于水平應(yīng)力峰值。工作面埋深為200 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力峰值為9.82 MPa；工作面埋深為400 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力峰值為17.59 MPa，比埋深為200 m時(shí)約增加了79%；工作面埋深為600 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力峰值為27.11 MPa，比埋深為400 m時(shí)約增加了54%；工作面埋深為800 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力峰值為38.47 Mpa，比埋深為600 m時(shí)約增加了42%；工作面埋深為1 000 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力峰值為41.02 MPa，比埋深為800 m時(shí)約增加了7%。

工作面埋深為200 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值為6.14 MPa；工作面埋深為400 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值為6.97 MPa，比埋深為200 m時(shí)約增加了14%；工作面埋深為600 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值為14.66 MPa，比埋深為400 m時(shí)約增加了110%；工作面埋深為800 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值為18.13 MPa，比埋深為600 m時(shí)約增加了24%；工作面埋深為1 000 m時(shí)，采場(chǎng)圍巖垂直應(yīng)力峰值為24.90 MPa，比埋深為800 m時(shí)約增加了37%。

4 結(jié) 論

本文基于不連溝煤礦F6203工作面工程地質(zhì)條件，采用3DEC大型離散元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，分析了工作面埋深對(duì)采場(chǎng)圍巖的變形破壞和應(yīng)力分布特征的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)工作面中部圍巖水平位移較小，兩端頭圍巖水平位移較大，工作面開采后端頭圍巖形成砌體梁結(jié)構(gòu)，塊體B的左上角和右下角水平位移最大；工作面中部圍巖垂直位移較大，兩端頭圍巖垂直位移較小，采場(chǎng)圍巖垂直位移從工作面中部圍巖向兩端頭圍巖呈“倒圓臺(tái)形”發(fā)展。

(2)工作面中部圍巖和區(qū)段煤柱水平應(yīng)力較大，兩端頭圍巖水平應(yīng)力較??；工作面中部圍巖和區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力較大，兩端頭圍巖垂直應(yīng)力較小。兩端頭圍巖區(qū)域的拉應(yīng)力大于端頭圍巖的抗拉強(qiáng)度，兩端頭圍巖區(qū)域處于拉破壞狀態(tài)。

(3)隨著埋深的增大，采場(chǎng)圍巖水平應(yīng)力峰值和垂直應(yīng)力峰值逐漸增大，采場(chǎng)圍巖的垂直應(yīng)力峰值大于水平應(yīng)力峰值。

[1]陳炎光,錢鳴高.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994：15-92.

[2]李冠蘭.淺談厚煤層開采綜放技術(shù)[J].科技信息,2007,(23):275.

[3]侯俊領(lǐng),謝廣祥,唐永志,等.厚沖積層薄基巖采場(chǎng)圍巖三維力學(xué)特征[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(12):2113-2118.

[4]劉文崗.淺埋大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及頂板災(zāi)害機(jī)理分析[J].煤礦開采,2011,16(05):73-80.

[5]鄭志剛,滕永海.綜放開采地表移動(dòng)與建筑物變形規(guī)律分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(05):114-124.

[6]孫占國(guó).大采高采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012，31(02):181-184.

[7]Wang T,Chen X L,Yang J.Study on stability of underground cavern based on 3DGIS and 3DEC[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(19)：3476-3481.

[8]吳瓊,唐輝明,王亮清.基于三維離散元仿真試驗(yàn)的復(fù)雜節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)尺寸效應(yīng)及空間各向異性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(12):2419-2432.

[9]王濤,盛謙,陳曉玲.基于直接法節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬的三維離散單元法計(jì)算[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(10):1649-1653.

[10]劉傳孝.堅(jiān)硬頂板運(yùn)動(dòng)特征的數(shù)值模擬及非線性動(dòng)力學(xué)分析[J].巖土力學(xué)，2005,26(05):759-762.

[11]韓倩.隧道埋深對(duì)開挖穩(wěn)定性影響分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012,30(06):894-899.

[12]言志信,黃文貴,史盛.埋深與圍巖質(zhì)量對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響探究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,32(06):18-25.

[13]李倩倩,張頂立,張成平.不同埋深下暗挖隧道施工的地層響應(yīng)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,37(01):27-33.

[責(zé)任編輯：王榮榮 英文編輯：劉彥哲]

Mechanisms of Surrounding Rock Deformation with Different Buried Depths and Heights

LIU Fei1,2,MA Zhan-guo2,HAN Yong-sheng2,XIA Qing-sen1

(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China;2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Objective The control of the surrounding rock under the condition of thick unconsolidated layers,thin bedrock and extremely thick coal seam is one of the urgent problems to be solved in the development of coal mine to the West.The study on the control mechanisms of surrounding rock deformation under special geological condition in the west of China is of practical guiding significance to the control of surrounding rock of large mining height of fully mechanized top coal caving face.Methods Based on the geological conditions of buliangou coal mine,and using 3DEC large discrete element software,a numerical calculation model was established.Results The surrounding rock deformation and failure law and stress distribution characteristic of different buried depths of working face were systematically studied.Conclusion The results revealed the surrounding rock deformation mechanisms of the working face by large mining height of fully mechanized top coal caving:the surrounding rock in the middle of working face has small horizontal displacement,and larger vertical displacement;the surrounding rock at both ends of working face has large horizontal displacement,smaller vertical displacements;horizontal stress peak value and vertical stress peak value of stope surrounding rock increases with buried depth,and vertical stress peak value of the stope surrounding rock is greater than horizontal stress peak value.

thick unconsolidated layer;large mining height;3DEC;surrounding rock deformation

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074163)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50834005)；2015年宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心學(xué)生開放課題(2015SZXTXSKF10)

劉飛(1989-)，男，江蘇宿遷人，宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院教師，碩士，研究方向?yàn)榈叵鹿こ探Y(jié)構(gòu)。

TD 325

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2016.07.004