順槽保護煤柱上覆巖層破斷規(guī)律的數(shù)值模擬研究

李輝峰

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院,太原 030024;2.潞安礦業(yè)集團余吾煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046103)

順槽保護煤柱上覆巖層破斷規(guī)律的數(shù)值模擬研究

李輝峰1,2

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院,太原 030024;2.潞安礦業(yè)集團余吾煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046103)

為了進一步研究煤柱上覆巖層的破斷規(guī)律以及條帶煤柱破壞失穩(wěn)機理和過程,運用數(shù)值分析手段,建立煤柱兩側(cè)巷道開挖以后工作面開采前的數(shù)值模擬模型以及工作面開采后,煤柱上覆巖層破斷后向下的跨落角為+60°、-60°時(雙側(cè)采動)的數(shù)值模擬模型;通過分析以上各模型條件下巖層的應力及位移變化規(guī)律,并且沿巷道頂板處取關(guān)鍵路徑并對路徑上各點的位移以及應力進行綜合分析,得出順槽煤柱上覆巖層壓力顯現(xiàn)特征。

保護煤柱;垮落;破斷;數(shù)值模擬

條帶壁式開采法在我國煤炭開采過程中創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益,隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出,我國正面臨著開發(fā)資源和保護環(huán)境的雙重挑戰(zhàn),以丟失資源和犧牲環(huán)境為代價的傳統(tǒng)開采方式必須改變,我們必須進一步研究煤柱上覆巖層的破斷規(guī)律以及條帶煤柱破壞失穩(wěn)機理和過程,以實現(xiàn)在保護環(huán)境的同時有效合理地利用煤炭資源。

1 順槽煤柱上覆巖層跨落失穩(wěn)過程及機理

工作面上覆巖層受工作面開采的影響,由于煤層上部直接頂與老頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特征的差異性,當煤層開采過后,煤層上部巖層的跨落失穩(wěn)特征具有很大的差異,使得順槽圍巖的礦壓顯現(xiàn)特征也不盡相同。進而使得順槽煤柱壓力呈現(xiàn)出不同的特點。

煤層頂板巖層通常為泥巖、泥質(zhì)頁巖、沙質(zhì)泥巖等,其分層厚度較小,強度及剛度較低,在工作面開采的影響下易發(fā)生破碎,一旦懸露則易發(fā)生不規(guī)則冒落;老頂巖層通常為砂巖、石灰?guī)r等,其分層厚度較大,強度及剛度較高,在工作面開采的影響下不易發(fā)生破碎,而是破斷為較大的板塊體,板塊體體積的大小與老頂巖層的厚度、巖性、距煤層高度及直接頂?shù)暮穸鹊扔嘘P(guān),老頂懸露之后可能形成砌體梁式的平衡結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后則呈現(xiàn)為規(guī)則垮落狀態(tài)[1-4]。

上覆巖層老頂?shù)臄嗔盐恢脹Q定著采空側(cè)頂板巖層的結(jié)構(gòu)特征,從而決定著順槽煤柱的礦壓顯現(xiàn)特征。依據(jù)層狀巖層的斷裂特征,老頂巖層斷裂位置可概括為以下三種情況,斷裂位置處于采空區(qū)側(cè)、斷裂位置處于煤體內(nèi)(煤柱上方直接頂未完全跨落)、斷裂位置處于煤體內(nèi)(煤柱上方直接頂完全跨落)。

當煤層上部直接頂巖層是由碎脹系數(shù)較高的巖體(如砂質(zhì)粘土和中硬巖石等)組成,且工作面寬度較小時,下部煤層開采結(jié)束后,直接頂發(fā)生不規(guī)則冒落,由于老頂可以及時有效地接觸到冒落體上,故老頂巖層的彎曲回轉(zhuǎn)角較小,老頂?shù)臄嗔盐恢脤⑻幱诿褐戏?開采初期,工作面端頭尾未完全垮落,靠近順槽煤柱上方直接頂垮落及斷裂形式見圖1—圖2。

圖1 老頂斷裂位置處于采空區(qū)側(cè)Fig.1 Fracturing position of main roof at goaf

圖2 斷裂位置處于煤體內(nèi)(煤柱上方直接頂未完全跨落)Fig.2 Fracturing position in coal body (the direct roof does not collapse completely)

當煤層上部直接頂巖層是由孔隙率較大的巖體(如泥巖,砂巖,泥灰?guī)r等)組成,且工作面寬度較大,采高較高,尤其是采用高放頂煤采煤方式進行開采時,煤層上部的冒落帶未能有效及時地填充采空區(qū),使得處于彎曲下沉帶中的老頂巖層其彎曲回轉(zhuǎn)角較大,老頂?shù)臄嗔盐恢脤⑻幱诓煽諅?cè),工作面推過后,順槽煤柱老丁斷裂位置逐步往煤柱上方移動,垮落后形成見圖3。

圖3 斷裂位置處于煤體內(nèi)(煤柱上方直接頂完全跨落)Fig. 3 Fracturing position in coal body (the direct roof collapses completely)

2 計算模型的建立

為了便于分析,建立開采前、+60°跨落(雙側(cè)開采)、-60°跨落(雙側(cè)開采)三個模型進行分析,見圖4—圖6。三個模型其基本參數(shù)都設(shè)置相同:模型長100 m,高為64.7 m,巷道寬5 m,高5.18 m,為保證在模擬過程中不出現(xiàn)煤柱破壞情況,煤柱寬度為30 m。

圖4 開采前單元劃分圖Fig.4 Unit division diagram before mining

圖5 +60°跨落單元劃分圖(雙側(cè)開采)Fig.5 Collapsing unit division diagram with +60 degree (bilateral mining)

圖6 -60°跨落單元劃分圖(雙側(cè)開采)Fig.6 Collapsing unit division diagram with -60 degree (bilateral mining)

邊界條件:模型底部鉛垂方向0位移約束,兩側(cè)邊界水平方向0位移約束;模型施加重力載荷并在上邊界施加均布載荷。上部受豎直向下的應力為6.25 MPa。

巖層分布特征和材料的主要力學參數(shù),如表1、表2所示。

表1 巖層分布特征

表2 材料的主要力學參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

圖7,圖8分別為開采前水平應力云圖、開采前豎向應力云圖。

圖7 開采前水平應力云圖Fig.7 Horizontal stress nephogram before mining

圖8 開采前豎向應力云圖Fig.8 Vertical stress nephogram before mining

分析圖7、圖8可知,在巷道開挖后,工作面未開采前,其水平及豎向應力呈對稱分布,最大水平應力發(fā)生在巷道靠近煤壁的頂、底板處,最大水平應力為5 MPa,最小水平應力出現(xiàn)在巷道頂?shù)装逄?最小水平應力為4.25 MPa;巷道主幫(靠近工作面?zhèn)?上下隅角處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,此處豎向應力最大,其值約為19.4 MPa,最小豎向應力出現(xiàn)在順槽煤柱靠近巷道兩側(cè),其值為2.74 MPa,沿著煤柱寬度方向呈逐漸增大趨勢,由2.74 MPa到5.12 MPa,再到7.51 MPa(接近原巖應力7.33 MPa)。

圖9為沿巷道頂板取關(guān)鍵路徑其上應力的分布曲線,可知,煤柱在巷道開挖后,工作面未開采前,其豎向應力、水平應力呈對稱分布,剪應力呈反對稱分布。水平應力在巷道兩幫分布較集中,最大水平應力分布在巷道副幫一定范圍之內(nèi),最大值接近6 MPa,在巷道頂板處出現(xiàn)水平拉應力,最大拉應力為4 MPa;最大剪應力出現(xiàn)在巷道主幫(靠近工作面?zhèn)?位置處,最大值為5 MPa;最大豎向應力出現(xiàn)在巷道主幫位置處,其值為12.6 MPa,順槽煤柱上豎向應力分布呈馬鞍狀,巷道頂板處出現(xiàn)拉應力,最大拉應力為2 MPa。中間約有10 m的彈性核。

圖9 開采前沿巷道頂板取關(guān)鍵路徑其應力分布曲線Fig.9 Critical paths and stress distribution along roof before mining

雙側(cè)開采上部巖層跨落后呈+60°沿巷道頂板取關(guān)鍵路徑其應力分布曲線,見圖10。分析圖10,可知上覆巖層發(fā)生跨落后,其豎向應力、水平應力呈對稱分布,剪應力呈反對稱分布。水平應力較小,最大水平應力為2 MPa;最大剪應力出現(xiàn)在巷道兩幫的位置處,最大值可達3.5 MPa;最大豎向應力出現(xiàn)在巷道兩側(cè),最大豎向應力值為10 MPa,順槽煤柱上豎向應力分布呈馬鞍狀,沿煤柱寬度呈對稱分布。兩側(cè)巷道頂板處豎向應力最低,其值約為0.5 MPa。順槽煤柱上出現(xiàn)約5 m寬度的彈性核。

圖10 雙側(cè)開采上部巖層跨落后呈+60° 沿巷道頂板取關(guān)鍵路徑其應力分布曲線Fig.10 Critical path and stress distribution along roof after upper strata collapsing with +60 degree of bilateral mining

圖11 雙側(cè)開采上部巖層跨落后呈-60°沿巷道頂板 取關(guān)鍵路徑其應力分布曲線Fig.11 Critical paths and stress distribution along roof after upper strata collapsing with -60 degree of bilateral mining

圖11為雙側(cè)開采上部巖層跨落后呈-60°沿巷道頂板取關(guān)鍵路徑其應力分布曲線。分析圖11,可知上覆巖層發(fā)生跨落后,其豎向應力、水平應力呈對稱分布,剪應力呈反對稱分布。水平應力在巷道兩幫分布較集中,最大水平應力分布在巷道兩幫處,其值超過7 MPa,巷道頂板處出現(xiàn)水平拉應力,最大值接近6 MPa,順槽煤柱上方水平應力均為壓應力,煤柱兩側(cè)邊緣處水平應力較大;最大剪應力出現(xiàn)在巷道兩幫,最大值可達6 MPa;最大豎向應力出現(xiàn)在巷道兩幫位置處,最大值為15 MPa,順槽煤柱上豎向應力分布呈馬鞍狀,由于開采后上覆巖層跨落的影響,順槽煤柱上的靠近下采區(qū)側(cè)的最大豎向應力值(15 MPa)較上區(qū)段開采側(cè)的最大豎向應力值(9.8 MPa)偏大,說明開采后上覆巖層的跨落對順槽煤柱上豎向應力的分布產(chǎn)生了很大的影響,兩側(cè)巷道頂板處均出現(xiàn)拉應力,最大拉應力值約為3 MPa。順槽煤柱上出現(xiàn)約6 m的彈性核,彈性核內(nèi)煤柱豎向應力較原巖應力有一定的升高。

4 結(jié)論

1)順槽開挖后,由于硐壁處的徑向應力減小,切向應力增大,使得順槽煤柱邊緣出現(xiàn)了一定范圍的塑性區(qū)和松動區(qū),根據(jù)數(shù)值分析可知塑性區(qū)的分布范圍為距離煤柱邊緣3 m～5 m處。上覆巖層跨落后可形成三種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)模型,在不同的結(jié)構(gòu)模型條件下,煤柱的塑性區(qū)和松動區(qū)的范圍也有一定的差別,以-60°模型時塑性區(qū)和松動區(qū)范圍較小。

2)由于煤層上部直接頂和老頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)差異、組成差別、工作面寬度、采高及巖層力學性質(zhì)等的不同,導致了上部巖層在開采過程結(jié)束后,其跨落失穩(wěn)特征具有很大的差異,進而使得順槽煤柱上的壓力顯現(xiàn)不同的特征。

3)通過對不同情況下順槽煤柱的受力分析可知,水平應力和剪應力對順槽煤柱的受力狀態(tài)有較大的影響,因此在對煤柱進行受力分析時,不可忽視其對煤柱穩(wěn)定性的影響。

[1] 徐永圻. 采礦學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社, 2003.

[2] 楊雙鎖.回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護原理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[3] 錢鳴高, 石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社, 2003.

[4] 孫淼.松軟厚煤層長壁綜放工作面順槽穩(wěn)定性控制理論技術(shù)研究[D].太原:太原理工大學,2010.

NumericalSimulationonFracturingLawofOverlyingStrataofProtectiveCoalPillars

LIHuifeng1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China; 2.YuwuCoalCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi046103,China)

To further study the fracturing law of overlying strata as well as the mechanism and process of failure and instability of strip coal pillars, we established two numerical simulation models of mining face before and after mining, respectively. The latter model is about the bilateral mining with caving angles (+60 degree and -60 degree) after the overlying strata fracturing. On the analysis of stress and displacement of the two models, we could select the critical paths and then studied the displacement and stress of each point on the paths along the roof. Finally, the synthetic analysis achieved the pressure behavior of the overlying strata of the coal pillars.

protective coal pillars;collapsing;fracturing;numerical simulation

1672-5050(2017)02-0004-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.002

2016-11-06

李輝峰(1976-),男,山西長治人,工程師,在讀工程碩士,從事采礦工程相關(guān)的技術(shù)與管理工作。

TD322

A

(編輯:武曉平)