近距離煤層群上煤層回采的底板應(yīng)力分布規(guī)律

王志平

(河南大有能源股份有限公司 新安煤礦,河南 新安 471842)

煤層開采所產(chǎn)生的礦山壓力是礦井開采設(shè)計中最為重要的基礎(chǔ)指標之一,它展現(xiàn)的變化規(guī)律錯綜復(fù)雜,尤其是在近距離煤層群開采過程中.位于煤層群的上煤層工作面在回采后,其采動應(yīng)力場和位移場對下煤層工作面開切眼位置的選擇及支護方案設(shè)計有最為直接的影響[1-4].錢鳴高[5]、蔡光順[6]等認為近距離煤層開采后,底板遭到破壞的范圍與煤層的開采范圍和采空區(qū)周圍支承壓力的分布情況有關(guān);文獻[7]對煤層采空區(qū)底板的破壞形態(tài)進行了描述,在國內(nèi)率先提出了煤層采空區(qū)底板巖層破壞的“三帶”概念:底板自上而下有鼓脹開裂帶(8～15 m)、微小變形移動帶(20～25 m)和應(yīng)力微變帶(60～80 m);李白英[8]的研究提出了“下三帶”理論,該理論認為煤層底板自上而下存在著三個帶:采動底板破壞帶(Ⅰ帶)、完整巖層帶(Ⅱ帶)、承壓水導升高度帶(Ⅲ帶);王作宇[9]提出了“底板移動的原位張裂和零位破壞”理論.本文以某煤礦近距離煤層群開采為實際案例,以該煤層群的煤巖實際賦存情況為研究基礎(chǔ),采用相關(guān)力學理論計算、數(shù)值模擬等研究方法,對上覆煤層回采期間巷道底板的應(yīng)力分布及周邊圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況進行探討,對類似條件下的煤層開采具有一定的參考價值和指導意義.

1 工作面概況

該礦井工作面煤層屬太原組中下部,東翼三盤區(qū)上覆煤層9煤與下覆煤層10煤的層間距約為2.6～10.5 m,煤層厚度為0.89～3.5 m,平均1.91 m,含0～3層夾矸.煤層頂板較不穩(wěn)定以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,其中直接頂為深黑色的中粗砂巖,基本頂為深灰色、致密的粉砂巖;直接底為深灰色泥巖,帶有一定的層理發(fā)育,老底為致密深黑色粉砂巖,同樣帶有一定的層理發(fā)育.綜合柱狀圖如圖1所示.

圖1 綜合柱狀圖

2 底板應(yīng)力理論

在煤層回采過程中,本處于平衡狀態(tài)的原巖應(yīng)力在采動影響下,各種空間關(guān)系被破壞,導致工作面周邊圍巖應(yīng)力不斷重新分布變化,最終形成新的圍巖應(yīng)力.然而,這種新的圍巖應(yīng)力分布對整個煤層群中下煤層的回采空間及其邊界安全保護煤柱都會產(chǎn)生不同范圍和不同程度的應(yīng)力集中[10],同時也會進一步傳遞至煤層底板的深部巖層.

根據(jù)巖土力學原理,當某一集中力P作用于地下某一點時(如圖2所示),會產(chǎn)生影響垂直應(yīng)力σz為

圖2 集中力作用在地下某一點

(1)

式中:Z為上煤層底板至下煤層底板之間的垂直距離;R為集中力P至地下某點的直線距離.

當某一集中力qdx作用于各向同性均質(zhì)半無限平面體上時(如圖3所示),我們可以得到在該平面體內(nèi)任意一點(θ,r)產(chǎn)生的應(yīng)力大小.同時,根據(jù)相同的邊界條件和集中力的作用方式,在力的疊加原理基礎(chǔ)上,受均布載荷的自由邊界上任一點(θ,r)的應(yīng)力結(jié)果為[11,12]

圖3 均布載荷下半無限平面體的受力分布

(2)

式中:q為作用在底板上的載荷;θ為壓力傳遞影響角;r為點到z方向的垂距.

根據(jù)式(1)和式(2)可以得出,在均布載荷下,底板受水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、剪切應(yīng)力的影響結(jié)果綜合考慮2個主要因素:(1)底板所處位置的埋深;(2)作用在底板上均布載荷的分布寬度l.由式(2)可以看出,在同一垂面上隨深度的增加,θ逐漸減小,垂直應(yīng)力σz也逐漸減小,即垂直應(yīng)力σz隨深度的增加而變小;當深度減小時,σz逐漸增大,其主要影響范圍為6.25l;與垂直應(yīng)力σz相比,水平應(yīng)力σx的影響范圍較小,一般為1.5l;剪切應(yīng)力τxz一般出現(xiàn)在載荷作用邊界,其影響范圍一般為2l,所以受力巖體的邊緣部位受剪切破壞的可能性較大.

結(jié)合材料力學相關(guān)理論知識,在平面條件下,主應(yīng)力的計算公式[13]為

(3)

(4)

將式(2)的對應(yīng)數(shù)值代入式(3)和式(4),同時令α=θ2-θ1,通過數(shù)學運算可以得到作用于底板巖層的最大主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力,分別是

(5)

(6)

最大剪應(yīng)力為

(7)

當α=π/2時,剪應(yīng)力達到極值:

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)可以看出,位于以分布載荷寬度l為直徑的半圓上,煤層底板巖層剪應(yīng)力處于極值狀態(tài).從而得知,其最大剪應(yīng)力在底板中能夠達到的深度最大為

(9)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)實際的巖性綜合柱狀圖建立數(shù)值模擬模型.煤層巷道圍巖的物理力學特性參照該工作面提供的實測巖體力學特性來確定,建立的FLAC3D數(shù)值計算力學模型如圖4所示.模型兩側(cè)限制水平方向位移,底部限制垂直方向位移,上部頂端增加平均分布的載荷,本模型采用Mohr-Coulomb模型.由于數(shù)值計算力學模擬模型需要綜合考慮計算時間、精細度等各種影響因素,特對模擬煤層周邊的圍巖進行網(wǎng)格細化[14,15],如圖5所示.

圖4 數(shù)值計算力學模型

圖5 模型的網(wǎng)格剖分

本模擬方案模型尺寸為360 m(長)×300 m(寬)×90 m(高).模型兩側(cè)面為滑動支承,底部為固定支承,上部為應(yīng)力邊界,模型共劃分460 800個單元、484 875個節(jié)點.

3.2 模擬方案

3.2.1 方案設(shè)計

結(jié)合實際煤層賦存情況,模型設(shè)定上煤層9煤切眼長度為150 m,采高為1.91 m;下煤層10煤切眼長度為200 m,采高為2.63 m.9煤原開切眼位置位于模型邊界煤柱30 m處,從原開切眼處進行回采開挖,模型設(shè)定了工作面5個推進距離,分別為10,30,100,150,200 m;在該條件下,對回采過程中的頂?shù)装鍛?yīng)力分布、圍巖塑性區(qū)發(fā)育變化情況進行分析研究[16].

3.2.2 模擬步驟

1)建立整體模型,模型原巖應(yīng)力平衡計算.

2)開挖9煤工作面,模型應(yīng)力平衡計算.

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬方案,得到工作面不同推進距離時切眼邊界煤柱及原開切眼底板圍巖應(yīng)力變化云圖,如圖6所示.

圖6 不同推進距離下回采位置及原開切眼底板圍巖應(yīng)力分布

圖6模擬結(jié)果顯示,切眼推進位置的前方為應(yīng)力集中區(qū),采空區(qū)下部底板應(yīng)力較小;隨著工作面推采距離的增加,底板應(yīng)力卸壓區(qū)也逐漸變大;當工作面回采距離達到一定的范圍后,工作面后方一定范圍內(nèi)將趨于穩(wěn)定狀態(tài),同時該范圍內(nèi)的頂?shù)装宓膰鷰r應(yīng)力將處于穩(wěn)定狀態(tài),然而原開切眼位置的巷道底板圍巖應(yīng)力隨工作面回采距離變大而逐漸增加.

圖7為工作面不同推進距離時原開切眼邊界煤柱圍巖塑性區(qū)分布變化云圖.圖7模擬結(jié)果顯示,從原開切眼處向前掘進至10 m左右時,9煤切眼塑性區(qū)擴展至基本頂上方3 m左右,底板塑性區(qū)基本沒有發(fā)育;當掘進30,100,150,200 m左右時,該塑性區(qū)擴展至基本頂上方6～50 m左右,底板塑性區(qū)開始發(fā)育,并且底板塑形區(qū)向采空區(qū)后方發(fā)展,底板塑性區(qū)最深向下擴展至7 m左右.

圖7 不同推進距離下回采位置及原開切眼的圍巖塑性區(qū)分布

隨著工作面推采距離的增加,開切眼塑性區(qū)對頂部影響范圍與推進距離成正比,當工作面推進至一定距離后底板塑性區(qū)開始發(fā)育,并隨著推進距離的增大,底板塑性區(qū)范圍愈深.

按照模擬方案,從原開切眼位置向前推進至不同位置,原開切眼處的前后方支撐壓力分布如圖8所示,采空區(qū)底板前后支撐壓力分布如圖9所示.

由圖8與圖9看出：采空區(qū)底板應(yīng)力受回采影響很小,切眼前方15 m左右為應(yīng)力增高區(qū).隨著推采距離的不斷增大,一方面原開切眼處圍巖應(yīng)力峰值一般處于回采位置前方10～20 m處,其最大值達到25.16 MPa,其應(yīng)力集中系數(shù)與回采距離成正比,最大系數(shù)為3.55;另一方面回采位置底板前方的應(yīng)力峰值也位于工作面前方10～20 m處,最大值為16.25 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)也與工作面推進距離成正比,其最大系數(shù)為2.29.

圖8 不同推進距離下原開切眼前后支承壓力分布

圖9 不同推進距離下采空區(qū)底板支承壓力分布

4 結(jié)論

1)煤層群上位煤層從回采至結(jié)束,9煤開切眼塑性區(qū)對頂?shù)装逅苄园l(fā)育范圍逐漸增大,推采位置前方10～20 m始終為應(yīng)力集中區(qū);切眼前方和采空區(qū)底板的應(yīng)力集中系數(shù)也與工作面推進距離成正比.

2)采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法為下煤層10煤工作面的開切眼位置選擇提供了重要的理論計算依據(jù),能夠避免上煤層9煤原開切眼邊界遺留煤柱形成的集中應(yīng)力的影響,同時為10煤開切眼支護方案設(shè)計提供技術(shù)支持.

3)本文采用的FLAC3D數(shù)值模擬方法對近距離煤層下行開采進行研究,但是在實際應(yīng)用過程中,是否同樣適用于近距離煤層上行開采有待進一步研究.