王志光
(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 霍州 031400)
工作面開(kāi)采會(huì)對(duì)煤層產(chǎn)生擾動(dòng),其擾動(dòng)效果直接表現(xiàn)為臨近煤層結(jié)構(gòu)的破壞,很容易造成坍塌、冒頂、瓦斯聚集等多種災(zāi)害,不利于礦井的安全生產(chǎn)。監(jiān)測(cè)掌握工作面開(kāi)采后臨近煤層的應(yīng)力結(jié)構(gòu)變化規(guī)律對(duì)安全生產(chǎn)是極為必要的?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)涉及到相關(guān)設(shè)備、測(cè)點(diǎn)技術(shù)等,相對(duì)復(fù)雜。故大多數(shù)學(xué)者通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面開(kāi)采對(duì)臨近煤層的影響效果進(jìn)行分析研究。例如,宋紅軍[1]等人通過(guò)RFPA軟件對(duì)古書(shū)院礦15#煤層受采動(dòng)影響后的裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究,為瓦斯治理提供了依據(jù);羅伙根[2]等人通過(guò)UDEC模擬軟件研究了工作面開(kāi)采深度對(duì)上覆巖層的離層空間動(dòng)壓以及三帶裂隙高度的影響。
通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)開(kāi)灤集團(tuán)錢(qián)家營(yíng)礦1622W工作面開(kāi)采前后9#煤層下沉量以及兩側(cè)煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力變化的分布規(guī)律進(jìn)行研究,以期為上覆煤層的巷道布置及安全生產(chǎn)提供支持。
1622W回采工作面主要開(kāi)采六采區(qū)的12-1煤層,其地面標(biāo)高為+13.3~+14.6 m,工作面標(biāo)高-470.0~-577.5 m,工作面長(zhǎng)度116.8~188.1 m,平均長(zhǎng)度175 m,走向長(zhǎng)度1029.3 m。煤層平均厚度3.4 m,平均傾角16°。12-1煤層從上到下分別為炭質(zhì)泥巖,平均厚度2.6 m;粉砂巖,平均厚度18.25 m。
1692W回采工作面則主要開(kāi)采9煤層[3],其對(duì)應(yīng)的地面標(biāo)高+13.3~+14.6 m。工作面平均長(zhǎng)度175 m,走向長(zhǎng)度937.5 m。煤層平均厚度1.9 m,平均傾角16°。9煤層從上至下的巖石性質(zhì)為1.9 m的泥巖直接頂巖;3.1 m粉砂巖形成的老頂巖;4.8 m細(xì)砂巖構(gòu)成的直接底巖;9.0 m泥巖形成的老底巖。9煤上部為8煤層,8煤層平均厚度2.1 m;從上到下的巖性分別為2 m的粉砂巖,4.8 m的砂巖;6.6 m的粉砂巖。
根據(jù)工作面地質(zhì)條件和煤巖條件[4-6],建立以下模型進(jìn)行計(jì)算:模型范圍為413.5 m×740 m×230.8 m(長(zhǎng)×寬×高),單元網(wǎng)格數(shù)為375 254,節(jié)點(diǎn)數(shù)為385 950,如圖1所示。
圖1 工作面賦存情況及各巖層層位關(guān)系數(shù)值模擬計(jì)算
模型計(jì)算模型邊界條件確定如下:模型X、Y軸兩端加相同反向約束,保證位移為零;模型底部加固定約束,保證底部不發(fā)生變形;模型頂部為自由邊界。
計(jì)算模型邊界約束條件確定如下:模型X軸方向施加26.2 MPa的應(yīng)力;模型Z軸方向施加14.9 MPa的應(yīng)力;并設(shè)其載荷為自重載荷;模型Y軸方向施加10.2 MPa的應(yīng)力。
軟件模擬過(guò)程中所需要的各種性質(zhì)煤巖的物理力學(xué)參數(shù)[7]見(jiàn)表1。
表1 數(shù)值計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)
上覆巖層受回采工作面擾動(dòng)后沿傾向的沉降量等值線圖如圖2所示。1622W工作面的上覆煤層9煤層在開(kāi)采擾動(dòng)后平均沉降量為2.7 m。
圖2 沿傾向上覆巖層垂直位移剖面/m
圖3為上覆煤層9煤層在沿走向的沉降量等值線圖。由圖3可以看到,工作面回采之后形成的采空區(qū)中部下沉量最大,以采空區(qū)中部為中心,向四周射線方向的下沉量逐漸降低,整個(gè)9煤層的下沉量主要分布在2.6~2.7 m之間。
圖3 沿走向上覆巖層垂直位移剖面/m
1622W工作面開(kāi)采后,采空區(qū)上方巖層下沉量較大,兩側(cè)煤柱區(qū)域下沉量在0.1~1.4 m范圍內(nèi),如圖4所示。
圖4 1622W工作面開(kāi)采后上覆巖層下沉量/m
由圖5可看出,煤柱范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力值在開(kāi)采前還較穩(wěn)定,最大為13.5 MPa,最小為13.0 MPa。隨著工作面的開(kāi)采,工作面下端頭方向,最大垂直應(yīng)力值先是急劇升高而后逐漸降低,其最大垂直應(yīng)力為30.1 MPa,最小垂直應(yīng)力為15.3 MPa。
圖5 1622W工作面開(kāi)采前后下區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力變化對(duì)比
圖6顯示了上區(qū)段煤柱范圍內(nèi)的應(yīng)力變化情況,由趨勢(shì)圖可以看出,工作面開(kāi)采前,煤柱范圍內(nèi)所分布的垂直應(yīng)力較為穩(wěn)定,在11.4 ~11.7 MPa之間。工作面開(kāi)采后,在受到擾動(dòng)之后,工作面上端頭方向的最大垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),最大可達(dá)35.0 MPa,最小則為17.2 MPa。綜合來(lái)看,工作面開(kāi)采擾動(dòng)會(huì)使上覆煤層兩端的垂直應(yīng)力急劇增加,影響生產(chǎn)安全,因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)礦壓控制技術(shù)措施。
圖6 1622W工作面開(kāi)采前后上區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力變化對(duì)比
根據(jù)上覆巖層在工作面開(kāi)采后的變形量計(jì)算可知,上覆煤層的整體下沉形態(tài)呈現(xiàn)盆地形態(tài)。位于工作面采空區(qū)中部的上覆9煤層沉降量最大,為2.7 m。而在采空區(qū)煤柱附近的范圍內(nèi),下沉量根據(jù)開(kāi)采情況的不同會(huì)有較大的差異,例如在1622W工作面,回風(fēng)順槽至采空區(qū)方向9 m范圍、運(yùn)輸順槽至采空區(qū)方向5 m范圍頂板下沉量變化較大,因此在9煤層進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí),應(yīng)盡量避開(kāi)此位置,保證巷道工程的穩(wěn)定安全,如圖7所示。
圖7 1622W工作面開(kāi)采對(duì)9煤層的影響
根據(jù)對(duì)上覆煤層應(yīng)力分布的計(jì)算[8-10],可以發(fā)現(xiàn),工作面煤壁往外10 m范圍內(nèi)會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)的影響而出現(xiàn)應(yīng)力升高的現(xiàn)象。因此在布置9煤層回采巷道時(shí),應(yīng)盡量避免將巷道布置于12-1煤層對(duì)應(yīng)煤柱10 m范圍內(nèi)。
(1)1622W工作面開(kāi)采高度為3.4 m。上覆9煤層下沉整體呈現(xiàn)盆地形態(tài),工作面采空區(qū)中部沉降量最大為2.7 m。
(2)上覆9煤層的垂直應(yīng)力在1622W工作面開(kāi)采后顯著降低,工作面頂板處的垂直應(yīng)力由12.3 MPa降低到0.16 MPa,降低程度達(dá)到了98.7%,對(duì)其他工作面有顯著的卸壓作用。
(3)煤柱范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力未受開(kāi)采擾動(dòng)前在11.4~13.5 MPa范圍內(nèi),受擾動(dòng)后,不同位置的應(yīng)力分布不同,運(yùn)輸順槽處為30.1 MPa,回風(fēng)順槽處為35.0 MPa,表明工作面開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致煤柱處的垂直應(yīng)力大幅度增加。