急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采煤巖應(yīng)力演化規(guī)律數(shù)值模擬研究

陳建強(qiáng)，王世斌，常 博，王 剛

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830027；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

急傾斜煤層是一種賦存方式比較特殊的煤層，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)西部各省有超過(guò)50%的煤礦開(kāi)采急傾斜煤層隨著煤層[1]。針對(duì)急傾斜特厚煤層的開(kāi)采方式以及開(kāi)采時(shí)覆巖及煤體的演化規(guī)律，我國(guó)在大傾角煤層開(kāi)采方式的研究上也做出了許多貢獻(xiàn)，研究了柔性掩護(hù)支架采煤法、偽斜短壁采煤法、俯斜走向長(zhǎng)壁分段密集采煤法、偽斜小巷多短壁采煤法等[2-4]，且取得了一定的成功；在巖層運(yùn)移及控制上，平壽康[5-7]等開(kāi)展了“大傾角煤層采面頂板巖層運(yùn)動(dòng)研究”等課題，首次比較系統(tǒng)和全面地研究了大傾角煤層開(kāi)采的礦壓顯現(xiàn)、圍巖災(zāi)變及防治技術(shù)；尹光志等[8]使用實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)和FLAC數(shù)值模擬，針對(duì)大傾角煤層的復(fù)雜條件，研究了開(kāi)采引起的巖體移動(dòng)、礦山壓力分布和地表沉陷的基本規(guī)律；胡文等[9]在對(duì)礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，探討了大傾角煤層開(kāi)采底板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了大傾角煤層采面底板分類方案及廣旺礦區(qū)底板類別；Tao等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值分析，較系統(tǒng)地研究了急傾斜(大傾角)煤層開(kāi)采時(shí)上覆巖層破斷機(jī)理(剪切破壞)和運(yùn)移特征；張基偉[11]利用綜合研究手段研究了急傾斜煤層開(kāi)采覆巖初次、周期頂板破斷機(jī)制，揭示了煤、巖非對(duì)稱應(yīng)力分布特征與演化規(guī)律，提出了強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)與定向彈性能釋放強(qiáng)礦壓控制方法。

本文基于對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采覆巖以及煤體的運(yùn)移規(guī)律，利用COMSOL數(shù)值模擬軟件對(duì)烏東煤礦45#急傾斜特厚煤層水平分段綜放開(kāi)采進(jìn)行數(shù)值模擬，研究急傾斜特厚煤層水平分段綜放開(kāi)采過(guò)程中，巖體的運(yùn)移及應(yīng)力演化規(guī)律，同時(shí)對(duì)工作面煤體的應(yīng)力分布以及應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行研究，為急傾斜特厚煤層水平分段綜放開(kāi)采時(shí)煤巖體的應(yīng)力演化規(guī)律的研究提供依據(jù)。

1 急傾斜特厚煤層賦存條件及開(kāi)采方式

1.1 急傾斜特厚煤層賦存條件

急傾斜特厚煤層是指地下開(kāi)采時(shí)煤層的傾角大于45°且煤層的厚度大于8.0m的煤層，該煤層的賦存條件較水平煤層具有很大的區(qū)別[12-14]，急傾斜特厚煤層的賦存如圖1所示。

圖1 急傾斜特厚煤層的賦存

1.2 急傾斜特厚煤層的開(kāi)采方式

針對(duì)急傾斜特厚穩(wěn)定煤層，水平分段綜采放頂煤采煤法是一種高效的采煤方法。該采煤方法的巷道布置方式是將每個(gè)階段沿傾向劃分為垂高為20～30m的區(qū)段，在區(qū)段的底部同一標(biāo)高上，沿煤層頂板布置運(yùn)輸巷，沿煤層底板布置回風(fēng)巷，兩巷走向端頭水平布置開(kāi)切眼。階段內(nèi)水平分段的劃分及放煤后圍巖和煤層的垮落情況如圖2所示。采用綜采放頂煤，開(kāi)采高度為3.5～4.5m，最大放頂煤高度達(dá)15～20m。

圖2 急傾斜特厚煤層水平分段綜采放頂煤采煤法

2 急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采數(shù)值模擬

2.1 幾何模型構(gòu)建

基于烏東煤礦45#煤層及覆巖的賦存情況以及該煤層的開(kāi)采方式[15]，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件中的幾何組件構(gòu)建急傾斜特厚煤層開(kāi)采的幾何模型，其中傾向方向上的幾何模型繪制根據(jù)45#煤層及覆巖的厚度進(jìn)行等比例繪制，其中煤巖層厚度見(jiàn)表1。

表1 各煤巖層厚度參數(shù)表

由于45#煤層及巖層較多，為了簡(jiǎn)化幾何模型的構(gòu)建，本文在數(shù)值模擬軟件中僅將J1-J9這9個(gè)煤巖層單獨(dú)提取出來(lái)分別建立各自的煤巖層幾何模型，對(duì)J10-J21這12個(gè)煤巖層簡(jiǎn)化成一個(gè)煤巖層建立幾何模型。本文將急傾斜特厚煤層沿走向方向開(kāi)采的長(zhǎng)度定義為240m，沿煤層傾向方向上的長(zhǎng)度為400m，高度為575m。此外在建立幾何模型時(shí)，本文將45#煤層自上而下分為5個(gè)開(kāi)采分段，每個(gè)開(kāi)采分段的垂直高度為25m。每一個(gè)開(kāi)采分段沿走向方向分為8個(gè)小段，每一小段的長(zhǎng)度為30m，用于模擬急傾斜特厚煤層沿走向方向的開(kāi)采工作，最終所建立完成的幾何模型如圖3所示。

圖3 煤巖體三維幾何模型

2.2 邊界條件的設(shè)定

本文采用COMSOL Multiphysics軟件中的固體力學(xué)模塊[16-19]，該固體力學(xué)模塊的控制方程為：

式中，u為位移，mm；t為時(shí)間，s；ρ為密度，kg/m3；σ為應(yīng)力，MPa；da為阻尼系數(shù)；f為體積力，kN/m3。

文中所采用的線彈性材料的本構(gòu)方程為：

σ=Dεel+σ0=D(ε-ε0-εth)+σ0

(2)

式中，D為彈性矩陣；εel為彈性應(yīng)變；σ0為初始應(yīng)力；ε為總應(yīng)變；ε0為初始應(yīng)變；εth為熱應(yīng)變；其中應(yīng)變-位移關(guān)系滿足：ε=1/2[(u)T+u]。

對(duì)于所建立的煤巖層，賦予材料屬性參數(shù)，利用式(3)根據(jù)煤巖體的容重計(jì)算煤巖體的密度，計(jì)算公式為：

式中，γ為容重，N/m3；g為重力加速度，m/s2；ρ為密度，kg/m3。

本文所研究的急傾斜特厚煤層為烏東煤礦45#煤層及巖層，利用烏東煤礦45#煤層及覆巖的容重參數(shù)計(jì)算密度[15]。由于本文在構(gòu)建幾何模型時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此對(duì)于混合巖層的參數(shù)賦予應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行定量計(jì)算。利用各個(gè)巖層的厚度以及容重計(jì)算出各巖層所產(chǎn)生的重力，求出混合巖層的總體重力，用混合巖層的總體重力與幾何模型的體積之比計(jì)算混合巖層的容重，其中混合巖層的總重力計(jì)算公式為：

G混=(γ1·h1+γ2·h2+…+γn·hn)·a·c

(4)

將混合巖層中各個(gè)巖層產(chǎn)生的重力等效為體載荷，等效后的體載荷為3.57kN/m3。通過(guò)COMSOL Multiphysics中的體載荷邊界條件施加在混合巖層的幾何模型上，從而對(duì)幾何模型以及邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，極大了增加了數(shù)值模擬計(jì)算的效率。

2.3 模擬結(jié)果分析

45#煤層所在的礦井建井初所采用的開(kāi)采方式是露天開(kāi)采，并且急傾斜煤層由于其特殊的賦存條件，上覆巖層會(huì)經(jīng)歷一個(gè)滑移，然后回轉(zhuǎn)的過(guò)程[20-22]，并且上覆巖層的種類較多，性質(zhì)復(fù)雜，造成垮落的上覆巖層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常復(fù)雜，如若采用充填以模擬上覆垮落的巖層不是很妥當(dāng)?；诩眱A斜特厚煤層這種特殊的賦存方式，以及烏東煤礦45#的特殊開(kāi)采方式，所以本文沒(méi)有采用充填來(lái)模擬上覆巖層垮落，而是將45#煤層開(kāi)采第一分段上部的煤體直接開(kāi)采掉，然后讓上覆巖層自動(dòng)垮落，這樣與烏東煤礦最初采用露天開(kāi)采，后續(xù)采用水平分段綜放開(kāi)采的開(kāi)采方式相符合。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究顯示[23]，烏東煤礦+575水平頂板破碎的總體特征是43#煤層頂板綜合破碎程度顯著低于45#煤層頂板，頂板的拉裂形態(tài)如圖4所示[23]。從圖4中可以看出，43#煤層開(kāi)采對(duì)巖體的影響帶遠(yuǎn)離45#煤層。43#煤層的開(kāi)采對(duì)45#煤層的開(kāi)采基本沒(méi)有影響。由圖4可知，45#煤層所形成的拉裂破壞帶也沒(méi)有影響到43#煤層的開(kāi)采工作，因此對(duì)于43#煤層開(kāi)采對(duì)45#煤層以及兩個(gè)煤層相互之間的弱影響可以忽略。

圖4 43#、45#煤層開(kāi)采后頂板拉裂形態(tài)

2.4 急傾斜特厚煤層開(kāi)采壓力演化規(guī)律分析

2.4.1 開(kāi)采走向方向上覆巖層應(yīng)力演化規(guī)律分析

在45#煤層的第一開(kāi)采分段沿煤層的走向開(kāi)采30 m，其開(kāi)采后的覆巖應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 第一分段開(kāi)采30m覆巖應(yīng)力云圖

從圖5中可以看出當(dāng)?shù)谝环侄蔚拿后w開(kāi)采30m之后，上覆巖層開(kāi)始產(chǎn)生了位移，當(dāng)覆巖的位移達(dá)到平衡，其上覆巖層的應(yīng)力變化范圍呈現(xiàn)出“漏斗”形狀。有所不同的是當(dāng)開(kāi)采進(jìn)行到30m時(shí)，30m處位于煤層頂板附近的巖層應(yīng)力較大，靠近煤層底板處的巖層應(yīng)力變化不大，這表明煤體開(kāi)采后，靠近頂板處覆巖受力增大，開(kāi)始產(chǎn)生變形，沿走向方向上覆巖的應(yīng)力隨著距離工作面距離的增大而減小。

2.4.2 傾向方向上覆巖層應(yīng)力演化規(guī)律分析

急傾斜特厚煤層采用水平分段綜放開(kāi)采時(shí)，隨著開(kāi)采分段的向下轉(zhuǎn)移，覆巖的應(yīng)力將隨著煤體開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移而發(fā)生變化，覆巖的應(yīng)力云圖如圖6所示。從圖6中可以看出，急傾斜特厚煤層的第一分段開(kāi)采完成后，模型頂部的覆巖由于發(fā)生了位移，應(yīng)力重新分布，從而在頂部的局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生了一個(gè)類似圓形的“應(yīng)力集中圓”，隨著煤層的開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移，該“應(yīng)力集中圓”的大小和形狀也隨煤層的開(kāi)采發(fā)生變化，應(yīng)力集中現(xiàn)象有逐漸減弱的趨勢(shì)。

圖6 煤層開(kāi)采的煤巖傾向應(yīng)力云圖

靠近煤層處的上部覆巖隨著煤層的開(kāi)采也逐漸達(dá)到了應(yīng)力的平衡。當(dāng)急傾斜特厚煤層從第一分段開(kāi)采到第五分段時(shí)，上覆巖層的應(yīng)力開(kāi)始逐漸增大，且范圍也逐漸擴(kuò)大，覆巖應(yīng)力未受采動(dòng)影響的范圍逐漸減小。隨著煤層開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移，靠近煤層處的上覆巖層的應(yīng)力大小變化不是很明顯，但是應(yīng)力范圍的變化較為明顯。

2.4.3 工作面前方煤體傾向方向應(yīng)力演化規(guī)律分析

急傾斜特厚煤層因其特殊的賦存方式以及采用水平分段綜放開(kāi)采的方式，導(dǎo)致工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面煤體的應(yīng)力較水平煤層有所不同，以急傾斜特厚煤層的第一開(kāi)采分段為例，當(dāng)工作面推進(jìn)30m時(shí)，沿傾向方向分別繪制該工作面、工作面后30m以及工作面后60m處煤體及周圍覆巖的應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖7 煤體傾向方向應(yīng)力云圖

由圖7可知，工作面處的煤體由于開(kāi)采的影響，其煤體受到了頂板對(duì)其產(chǎn)生的壓力，使得煤體內(nèi)的應(yīng)力升高，且煤體內(nèi)的應(yīng)力集中處多分布在靠近頂板的煤體，而靠近底板處的煤體其應(yīng)力集中程度較頂板小。工作面后方的煤體由于距離工作面較遠(yuǎn)，并沒(méi)有受到較大的開(kāi)采擾動(dòng)的影響，因此其應(yīng)力較工作面較近處并無(wú)太大的變化。

工作面推進(jìn)30m后，將距工作面5m處的煤體沿傾向方向的軸向應(yīng)力繪制成如圖8所示。從圖8可以看出，煤體傾向方向上應(yīng)力的分布大致上呈現(xiàn)兩端的應(yīng)力較高，中間的應(yīng)力較低，且靠近頂板側(cè)煤體的應(yīng)力高于靠近底板側(cè)煤體的應(yīng)力，這是因?yàn)榧眱A斜特厚煤層特殊的賦存方式以及采用水平分段綜放開(kāi)采的開(kāi)采方式，造成傾向方向上煤體所受的應(yīng)力不一致。

圖8 工作面煤體沿傾向方向上軸向應(yīng)力分布

2.4.4 急傾斜特厚煤層開(kāi)采工作面前方煤體走向方向應(yīng)力演化規(guī)律分析

當(dāng)工作面推進(jìn)30m后，在幾何模型中沿煤層的走向方向布置截面，將工作面煤體沿走向方向上的應(yīng)力分布繪制成如圖9所示的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，工作面煤體沿走向方向上的應(yīng)力集中最大處位于工作面附近，且隨著距離工作面的距離增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱。

圖9 工作面煤體走向方向應(yīng)力云圖

工作面開(kāi)采30m后，測(cè)量煤體中軸向應(yīng)力與側(cè)向應(yīng)力，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，在距離工作面較近處，軸向應(yīng)力隨距離工作面的距離增加而增大；當(dāng)軸向應(yīng)力增加到一定的峰值之后，隨著距離工作面距離的增大，軸向應(yīng)力開(kāi)始出現(xiàn)下降，當(dāng)軸向應(yīng)力下降到一定值后將不再發(fā)生變化，因此可以將工作面軸向應(yīng)力的分布分為(Ⅰ)塑性區(qū)、(Ⅱ)彈性區(qū)和(Ⅲ)原巖應(yīng)力區(qū)三個(gè)區(qū)，反映工作面煤體不同的受力狀態(tài)。

圖10 工作面煤體沿走向方向上軸向應(yīng)力分布

將開(kāi)采后工作面煤體的側(cè)向應(yīng)力的變化繪制成如圖11所示。從圖11可知，工作面煤體的側(cè)向應(yīng)力隨距離工作面的距離增加而減小，這是因?yàn)榧眱A斜特厚煤層采用了水平分段綜放開(kāi)采的開(kāi)采方式，頂板與煤層與水平方向存在較大的夾角，覆巖在自重的作用下會(huì)對(duì)煤體產(chǎn)生作用力，且作用力可以分解分為水平作用力和垂直作用力，較大的傾角造成水平作用力較水平煤層大，因此造成工作面附近的側(cè)向應(yīng)力高，會(huì)增加煤壁片幫的幾率。

圖11 工作面煤體沿走向方向上側(cè)向應(yīng)力分布

2.4.5 烏東煤礦+575水平43#煤層綜放工作面煤體應(yīng)力測(cè)定分析

本文利用文獻(xiàn)[23]中對(duì)烏東煤礦+575水平43#煤層西翼綜放工作面的煤體應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)回采巷道實(shí)際情況在+575水平43#煤層西翼綜放工作面南北巷150～430m區(qū)域每隔30m分別安裝一組圍巖應(yīng)力傳感器，南北巷共計(jì)安裝圍巖應(yīng)力傳感器8組(每組包括深、淺基點(diǎn)2個(gè)傳感器)共計(jì)16組，測(cè)定煤巖應(yīng)力，如圖12所示。

圖12 圍巖應(yīng)力傳感器安裝

煤體的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖13所示，由圖13可知，實(shí)際工作面煤體的應(yīng)力變化與數(shù)值模擬的結(jié)果非常相似，工作面煤體所受的應(yīng)力也分為塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)三個(gè)區(qū)，且在距離工作面較近處，軸向應(yīng)力隨距離工作面的距離增加而增大；當(dāng)軸向應(yīng)力增加到一定的峰值之后，隨著距離工作面距離的增大，軸向應(yīng)力開(kāi)始出現(xiàn)下降，當(dāng)軸向應(yīng)力下降到一定值后將不再發(fā)生變化進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，本文的數(shù)值模擬研究能夠較好地探究急傾斜特厚煤層在水平分段開(kāi)采下的煤巖應(yīng)力演化規(guī)律，為探究急傾斜特厚煤層的煤巖應(yīng)力演化提供依據(jù)。

圖13 工作面煤體應(yīng)力采動(dòng)

3 結(jié) 論

1)開(kāi)采后煤層頂板附近的巖層應(yīng)力較大，靠近煤層底板處的巖層應(yīng)力變化不大，頂部的覆巖局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中現(xiàn)象有逐漸減弱的趨勢(shì)。

2)工作面處的煤體由于開(kāi)采的影響，其煤體受到了頂板對(duì)其產(chǎn)生的壓力，使得煤體內(nèi)的應(yīng)力升高，且煤體內(nèi)的應(yīng)力集中多分布在靠近頂板處的煤體，而靠近底板處的煤體其應(yīng)力集中程度較小。

3)隨著工作面的開(kāi)采，工作面軸向應(yīng)力的分布分為塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)三個(gè)區(qū)；工作面煤體沿走向方向上的側(cè)向應(yīng)力隨距離工作面的距離增加而減小，增加了工作面附近煤壁的片幫幾率。