近距離煤層群煤柱下采動(dòng)應(yīng)力分布特征研究

張廷院 周軍順 張國(guó)龍

(1. 棗礦集團(tuán)田陳煤礦,山東省棗莊市，277500;2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

我國(guó)很多礦井采用下行開(kāi)采方式。在煤層群開(kāi)采過(guò)程中，先采上部煤層后采下部煤層，兩層煤間距較大時(shí)，上部煤層開(kāi)采后形成的采空區(qū)對(duì)下部煤層開(kāi)采影響較小，與單一煤層開(kāi)采時(shí)礦壓規(guī)律相同。當(dāng)上下兩層煤間距較小時(shí)，兩層煤之間的開(kāi)采會(huì)相互影響，隨著兩層煤間距的減小，影響越來(lái)越大。下部煤層在上部煤層的采空區(qū)下進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采前上覆巖層已經(jīng)發(fā)生不同程度的破壞，局部巖層發(fā)生大面積的破碎，尤其上煤層開(kāi)采后殘留的區(qū)段煤柱導(dǎo)致底板應(yīng)力集中程度高，而下煤層開(kāi)采時(shí)頂板結(jié)構(gòu)以及圍巖應(yīng)力分布已經(jīng)發(fā)生變化。因此，下部煤層開(kāi)采與單一煤層開(kāi)采相比，應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜。下煤層在開(kāi)采過(guò)程中，工作面頂板易發(fā)生冒頂事故，當(dāng)裂隙發(fā)育到上部煤層時(shí)，易發(fā)生工作面漏風(fēng)、瓦斯突出等災(zāi)害。

本文結(jié)合鮑店煤礦六采區(qū)近距離煤層群開(kāi)采具體條件，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬，研究煤柱下近距離煤層群采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律，為類似地質(zhì)條件下安全高效開(kāi)采提供依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

鮑店煤礦六采區(qū)北翼存在2#煤層和3#煤層，兩層煤的間距為19.9 m，屬于近距離煤層。六采區(qū)北翼煤層部分可采，導(dǎo)致2#煤層存在較多的殘留煤柱，且形狀不規(guī)則。2#煤層開(kāi)采完畢殘留煤柱，導(dǎo)致2#煤層采空區(qū)邊緣形成高應(yīng)力，3#煤層開(kāi)采受2#煤層殘留煤柱影響較大。在2#煤層的影響下，3#煤層在開(kāi)采前已經(jīng)處于高應(yīng)力狀態(tài)，此外，在多種應(yīng)力疊加影響下，3#煤層開(kāi)采過(guò)程中極易發(fā)生沖擊地壓。

2 數(shù)值模擬模型

以6202、6203工作面為研究對(duì)象，模擬六采區(qū)北翼2#煤層采空區(qū)邊界對(duì)3#煤層開(kāi)采的影響，模型尺寸為392 m×336 m×71.3 m。以實(shí)際綜合柱狀圖為依據(jù)，建立數(shù)值模型，網(wǎng)格模型如圖1所示，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。2#煤層采空區(qū)與3#煤層工作面的關(guān)系及分析測(cè)線位置如圖2所示。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

巖性厚度/m密度/kg·m-3體積模量/1010Pa剪切模量/1010Pa內(nèi)聚力/106Pa內(nèi)摩擦角/(°)砂巖8260026807272278砂質(zhì)頁(yè)巖2126000860572536砂巖22600268072722782#煤層1213500908325頁(yè)巖38825600880435141砂巖146260026807272278頁(yè)巖142256008804351413#煤層813500908325頁(yè)巖2225600880435141砂巖9260026807272278

圖2 2#煤層采空區(qū)與3#煤層工作面位置關(guān)系

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 3#煤層開(kāi)采前頂板應(yīng)力分布

2#煤層6202和6203工作面開(kāi)采后留設(shè)殘留煤柱，6304工作面開(kāi)采過(guò)程中受到殘留煤柱的影響，其影響方式有兩種：一是工作面由煤柱下開(kāi)采逐漸向采空區(qū)推進(jìn)；二是工作面從采空區(qū)下逐漸向煤柱推進(jìn)。

2#煤層采空區(qū)和不規(guī)則煤柱會(huì)對(duì)3#煤層頂板的初始應(yīng)力狀態(tài)造成影響，測(cè)線位置2#煤層煤柱集中應(yīng)力在底板中分布特征如圖3所示，3#煤層開(kāi)采前直接頂?shù)膽?yīng)力分布狀態(tài)如圖4所示。

由圖3可以看出，在豎直方向上，當(dāng)2#煤層大面積采空而又留設(shè)煤柱時(shí)，煤柱上會(huì)有高應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了5.7。隨著應(yīng)力在底板中的衰減，能量在底板中被吸收，當(dāng)應(yīng)力傳遞到3#煤層時(shí)，應(yīng)力減小到14～18 MPa。由圖4可知，由于2#煤層煤柱集中應(yīng)力的作用在煤柱下方出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，且煤柱凸角下的應(yīng)力以及影響范圍遠(yuǎn)大于其他位置。

圖3 2#煤煤柱集中應(yīng)力在底板中分布特征

圖4 6304工作面開(kāi)采前的直接頂應(yīng)力分布云圖

3.2 3#煤層工作面開(kāi)采過(guò)程中的支承壓力變化規(guī)律

由于2#煤層煤柱對(duì)3#煤層工作面的影響方式不同，分別模擬3#煤層工作面進(jìn)采空區(qū)和出采空區(qū)兩種方式情況下，工作面不同位置支承壓力變化特征。

3.2.1工作面由煤柱下向采空區(qū)下推進(jìn)支承壓力分布規(guī)律

工作面開(kāi)采由煤柱下開(kāi)采向采空區(qū)逐漸推進(jìn)時(shí)，不同開(kāi)采位置支承壓力變化如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)工作面不斷接近2#煤層采空區(qū)時(shí)，支承壓力表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)工作面距煤柱距離較遠(yuǎn)時(shí)，工作面上下兩端應(yīng)力分布基本一致，說(shuō)明距離煤柱較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)力分布受煤柱影響較小。隨著工作面臨近殘留煤柱，工作面上下兩端應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著變化，當(dāng)工作面距煤柱邊界60 m時(shí)，煤柱凸角處應(yīng)力集中明顯，工作面下端支承壓力明顯大于下端。隨著工作面與煤柱之間的距離不斷減小，2#煤層采空區(qū)卸壓效應(yīng)明顯，當(dāng)工作面上端開(kāi)始進(jìn)入煤柱影響區(qū)，上端支承壓力峰值減小，約為下端支承壓力峰值的1/2。

圖5 工作面推進(jìn)到不同相對(duì)位置時(shí)的應(yīng)力分布云圖

3#煤層工作面推進(jìn)過(guò)程中煤壁前方塑性區(qū)發(fā)展變化狀態(tài)如圖6所示。棕色區(qū)域代表現(xiàn)在單元體處于塑性狀態(tài)，紅色區(qū)域代表單元體曾經(jīng)處于塑性區(qū)，現(xiàn)在正逐漸向彈性區(qū)恢復(fù)，藍(lán)色代表彈性區(qū)。工作面上端距離煤柱邊界30 m，以此類推當(dāng)工作面推進(jìn)50 m、60 m、70 m時(shí)，工作面上端距2#煤柱邊界B 20 m、10 m、0 m。由圖6可知，當(dāng)工作面推進(jìn)40 m、50 m時(shí)，受2#煤層煤柱的影響工作面上端的塑性區(qū)略微多于工作面下端。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面下端的塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，工作面下端開(kāi)始受到2#煤層凸角應(yīng)力集中區(qū)的影響。當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時(shí)，此位置在工作面上端處于采空區(qū)邊緣正下方，處在2#煤層的卸壓區(qū)內(nèi)，工作面上端的單元體塑性區(qū)范圍減小，而工作面下端的塑性區(qū)已和凸角下的煤體破壞區(qū)相連，破壞深度較大，如果此時(shí)煤體出現(xiàn)突然破壞則可能會(huì)造成沖擊地壓事故。當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，3#煤層底板的壓力更多集中在工作面下端，造成工作面下端出現(xiàn)大量塑性破壞區(qū)，破壞范圍擴(kuò)大，但是單元體處向彈性轉(zhuǎn)變過(guò)程中，且支承壓力峰值向深部轉(zhuǎn)移。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，破壞單元進(jìn)一步增加，但是破壞單元在工作面上端和下端的分布趨于均勻，說(shuō)明在此位置集中應(yīng)力向工作面上端轉(zhuǎn)移，工作面上端開(kāi)始承受部分頂板集中應(yīng)力。

圖6 3#煤層工作面推進(jìn)過(guò)程煤壁前方塑性發(fā)展變化情況

3.2.2工作面由采空區(qū)下進(jìn)入煤柱下支承壓力分布規(guī)律

工作面由采空下逐漸推進(jìn)到殘留煤柱下時(shí)的應(yīng)力分布云圖、支承壓力分布特征分別如圖7和圖8所示。

圖7 工作面推進(jìn)到不同相對(duì)位置時(shí)的應(yīng)力分布云圖

圖8 工作面推進(jìn)到不同位置時(shí)測(cè)線上的支承壓力分布情況

由圖7和圖8可知，工作面由煤柱邊緣處進(jìn)入煤柱下方開(kāi)采時(shí)，支承壓力峰值顯著升高，在工作面煤壁與2#煤層煤柱邊界重疊和推進(jìn)到煤柱內(nèi)側(cè)0 m兩種情況下，最大應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到5.66、5.97，煤柱應(yīng)力疊加非常明顯，但支承壓力明顯影響范圍較小。工作面臨近煤柱時(shí)應(yīng)力分布特征見(jiàn)表2。

表2 工作面臨近煤柱時(shí)應(yīng)力分布特征

綜合以上分析可知，在兩種工作面推進(jìn)方式下，受2#煤煤柱影響以及工作面支承壓力疊加作用，支承壓力峰值較高。因此，上層煤柱應(yīng)力變化影響范圍將是沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)2#煤層局部可采，開(kāi)采中留有部分煤柱，在殘留煤柱影響下，3#煤層未采掘之前應(yīng)力集中程度較高，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.94，殘留煤柱超前支承壓力明顯影響范圍達(dá)到50 m。

(2)當(dāng)工作面推進(jìn)方式為由煤柱下向采空區(qū)逐漸推進(jìn)時(shí)，應(yīng)力集中程度高，超前應(yīng)力影響范圍廣，受煤柱影響應(yīng)力疊加范圍為60 m(即距煤柱邊界60 m)，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到5.68，是開(kāi)采過(guò)程中重點(diǎn)防治區(qū)域，防止沖擊地壓的發(fā)生。

(3)當(dāng)工作面推進(jìn)方式為由采空區(qū)下向煤柱逐漸推進(jìn)時(shí)，當(dāng)工作面逐漸臨近采空區(qū)時(shí)，超前支承壓力峰值逐漸增大，但超前影響范圍逐漸減小。

(4)工作面從采空區(qū)下推進(jìn)到煤柱時(shí)，工作面支承壓力集中系數(shù)達(dá)5.66～5.97，應(yīng)力集中系數(shù)高，影響范圍較小，也是沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。

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