急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板破壞機(jī)理研究

林劉軍，袁 穩(wěn)

(1.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

0 引 言

急傾斜煤層的儲(chǔ)量占我國煤炭總儲(chǔ)量的10%～20%，但對(duì)急傾斜煤層開采引起周邊巖層變形性規(guī)律及巖層移動(dòng)控制技術(shù)的相關(guān)研究，尚無法解決急傾斜開采工作面圍巖變形大、采空區(qū)地表沉降量大且控制技術(shù)難等問題，這也導(dǎo)致急傾斜煤層的開采量不足我國煤炭總開采量的4%，采取適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)采空區(qū)予以填充是亟待解決的難題之一。姚琦等[1-3]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，對(duì)頂板初次斷裂應(yīng)力分布規(guī)律、傾向覆巖破壞特性及移動(dòng)規(guī)律，以及柱體失穩(wěn)機(jī)理和合理尺寸進(jìn)行了一系列研究；伍永平等[4]針對(duì)大傾角煤層開采提出了“R-S-F”系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制理論，其研究成果奠定了大傾角煤層開采的理論和技術(shù)基礎(chǔ)；來興平等[5]基于聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)采空區(qū)衍生災(zāi)害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究；李楊等[6]以潘東公司18328綜采工作面為背景，對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和兩巷礦壓顯現(xiàn)特性進(jìn)行了研究；莊又軍等[7]對(duì)復(fù)合頂板綜采面沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了研究，并在軍城煤礦31203綜采工作面中成功應(yīng)用。

以上針對(duì)急傾斜煤層開采的研究成果具有較為明顯的差異性，但所有學(xué)者均認(rèn)為急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板的破壞不均勻，且隨著地層特性的變化而變化。本文選取豫西某煤礦工作面(以下簡稱“工作面”)作為研究對(duì)象，借助于FLAC3D有限元差分軟件，對(duì)急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了工作面最大撓度和最大主應(yīng)力的出現(xiàn)位置，對(duì)該煤礦及具有類似特點(diǎn)的急傾斜礦山綜采分段充填工作面底板破壞研究具有指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

豫西某煤礦1957年投產(chǎn)時(shí)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15萬t/a，現(xiàn)有資源儲(chǔ)量約為1 216萬t，預(yù)計(jì)可采煤炭儲(chǔ)備量約為813萬t，煤礦改擴(kuò)建后設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力預(yù)計(jì)達(dá)到21萬t/a。工作面南北走向長度為800 m，傾向斜長95～105 m，煤層厚度為0.2～9 m，平均厚度約1.8 m，預(yù)計(jì)可采量19萬t。煤層走向約30°，傾向約120°，傾角為6.5°～85.5°，平均傾角約66°。工作面附近圍巖以粉砂巖、中砂巖和砂泥巖為主，主采煤層厚度為0.1～29 m，平均層厚為1.8 m，埋深約122.5 m。實(shí)測(cè)主采煤層及附近圍巖物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1。

2 底板巖梁受力分析

2.1 底板受力分析

急傾斜煤層開采過程中，底板重力沿煤層層面上的分力會(huì)隨著煤層傾角的增大而增大，煤層傾角越大，底板向下產(chǎn)生滑移的可能性越大。對(duì)于充填段，充填體將直接頂和底板連接起來，一方面對(duì)直接頂起到支撐作用，另一方面對(duì)底板的滑移變形起到控制作用。而對(duì)于未充填段，煤層開采后，直接頂上的矸石在自重作用下發(fā)生掉落，掉落的矸石堆積在采空區(qū)底部，對(duì)采空區(qū)下部直接頂起到支撐作用，并減小采空區(qū)下部底板的滑移變形[8-12]。圖1為采空區(qū)底板受力示意圖。

表1 圍巖物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

圖1 采空區(qū)底板受力示意圖

2.2 支承壓力分布

隨著急傾斜煤層開采工作面的推進(jìn)和采空區(qū)域逐漸擴(kuò)大，采空區(qū)四周將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致采空區(qū)頂板和底板承受的支承壓力變大，急傾斜工作面中心走向應(yīng)力分析如圖2所示[8-12]。

圖3為急傾斜工作面傾斜方向支承應(yīng)力的分析圖。由圖3可知，兩種情況下工作面均沿水平方向和層面方向受力；工作面上沿層面方向在上順槽上方和下順槽下方均會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值約為初始應(yīng)力的2～4倍。在工作面前方，水平方向的支承應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而該集中應(yīng)力是決定工作面底板穩(wěn)定性的最重要因素。

圖2 急傾斜工作面中心走向應(yīng)力分析

圖3 急傾斜工作面傾斜方向支承應(yīng)力分析

3 底板破壞的數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

為了研究分段充填技術(shù)對(duì)工作面底板的影響，選取寬度為11 m、跨度為25 m的充填方式，借助于FLAC3D有限差分軟件對(duì)工作面推進(jìn)不同尺寸時(shí)底板的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)域變化的規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算模型如圖4所示。模型大小為210 m×210 m×210 m，模型底部和側(cè)面設(shè)置為位移邊界，測(cè)壓系數(shù)取1.14，上表面設(shè)置為上部圍巖的自重應(yīng)力邊界，本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[13]，工作面周邊圍巖物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1，充填體計(jì)算參數(shù)見表2。為便于表述，沿y=50面作切面，對(duì)工作面底板應(yīng)力分布、位移變化以及塑性區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行分析。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 應(yīng)力分布規(guī)律分析

圖5為不同工作面推進(jìn)尺寸下σxy的變化云圖。由圖5可知：①底板σxy應(yīng)力的卸壓區(qū)域出現(xiàn)在煤層開采工作面中間偏上位置；②底板σxy應(yīng)力的卸壓區(qū)域隨著工作面的加深逐漸擴(kuò)大，且卸壓區(qū)域明顯向底板深度方向擴(kuò)展，相比于工作面深度為20 m時(shí)的卸壓區(qū)域大小，80 m時(shí)卸壓區(qū)域?yàn)樵瓉淼?.5倍左右；③σxy的最大應(yīng)力值始終在工作面下端頭位置出現(xiàn)。

表2 充填體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

圖6為不同工作面推進(jìn)尺寸下σyz的變化規(guī)律，由圖6可知：①最大σyz應(yīng)力出現(xiàn)在煤層開采工作面中間偏上位置，且其大小隨著煤層開采工作面的加深變化范圍較小，最大值保持在3.9 MPa左右；②底板σyz應(yīng)力的卸壓區(qū)域隨著工作面的加深逐漸擴(kuò)大，且卸壓區(qū)域明顯向底板深度方向擴(kuò)展。

圖5 不同工作面推進(jìn)尺寸下σxy的變化云圖

圖6 不同工作面推進(jìn)尺寸下σyz的變化云圖

圖7 不同工作面推進(jìn)尺寸下σzx的變化云圖

圖8 不同工作面推進(jìn)尺寸下底板垂直位移變化云圖

圖9 不同工作面推進(jìn)尺寸下底板水平位移變化云圖

圖7為不同工作面推進(jìn)尺寸下σzx的變化規(guī)律，由圖7可知：①最大σzx應(yīng)力出現(xiàn)在煤層開采工作面底板端部位置，且其大小隨著煤層開采工作面的加深變化范圍不大，最大值保持在2.3 MPa左右；②當(dāng)工作面深度超過20 m后，底板σzx應(yīng)力的卸壓區(qū)域隨著工作面的加深基本沒有變化。

3.3 位移變化規(guī)律

圖8和圖9為不同工作面推進(jìn)尺寸下工作面底板在垂直方向和水平方向上的位移變化。由圖8和圖9可知：①工作面開挖過程中，底板最大垂直位移出現(xiàn)在工作面中部，當(dāng)工作面進(jìn)尺超過20 m后，垂直位移持續(xù)增大，但增大量逐漸減??；②工作面開挖過程中，底板最大水平位移出現(xiàn)在工作面中部偏下位置，和垂直位移類似，當(dāng)工作面進(jìn)尺超過20 m后，水平位移也持續(xù)增大，但增大量逐漸減??；③從工作面底板位移變化規(guī)律可見，開采過程中，底板最有可能發(fā)生破壞的位置是工作面中部和中部偏下的位置；④當(dāng)工作面底板發(fā)生破壞后，底板上部會(huì)隨之發(fā)生位移，并向工作面下部逐漸擴(kuò)展。

圖10 不同工作面推進(jìn)尺寸下底板塑性區(qū)變化云圖

3.4 塑性區(qū)擴(kuò)展

圖10為不同工作面推進(jìn)尺寸下底板塑性區(qū)變化云圖。由圖10可知：①工作面塑性區(qū)域集中在底板中下部，這主要是因?yàn)殚_挖過程中工作面上部會(huì)出現(xiàn)坍塌(如矸石在自重作用下發(fā)生掉落等)，進(jìn)而導(dǎo)致工作面上部應(yīng)力降低，而塑性變形會(huì)朝著應(yīng)力較為集中的地方(底板中下部)發(fā)展所致；②隨著煤層開挖工作面的加深，底板塑性區(qū)的深度和范圍均逐漸增大，地層受煤層開采的影響區(qū)域也逐漸加深。

4 結(jié) 論

1) 采空區(qū)充填體能將直接頂和底板連接起來，從而對(duì)直接頂起到支撐作用并對(duì)底板的滑移變形起到控制作用；充填體強(qiáng)度越高，對(duì)底板的加固效果越好。

2) 填充后，底板σxy和σyz的最大值出現(xiàn)在工作面中間偏上位置，σzx的最大值出現(xiàn)在底板端部位置；隨著工作面開挖深度的增大，三個(gè)應(yīng)力的最大值變化幅值并不大，但其σxy和σyz的卸壓區(qū)會(huì)明顯增大，而σzx的卸壓區(qū)則基本沒有變化。

3) 工作面開挖過程中，底板最大垂直和水平位移分別出現(xiàn)在工作面中部和中部偏下位置處，隨工作面深度的增大位移也持續(xù)增大，但增大量逐漸減?。凰苄詤^(qū)域集中在底板中下部，且隨著煤層開挖工作面的加深，底板塑性區(qū)的深度和范圍均逐漸增大，地層受煤層開采的影響區(qū)域也逐漸加深。