基于FLAC3D的分層開采再生頂板裂隙控制效果分析*

陳 健，魯 義,2，于順才，丁仰衛(wèi)，李 亮，任英勇

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.山東魯泰控股集團有限公司 鹿洼煤礦，山東 濟寧 272350；4.吉利百礦集團百色雙田礦業(yè)有限公司 州景煤礦，廣西 百色 531500)

0 引言

煤炭作為能源消費結(jié)構(gòu)中的主體[1]，在過去的較長時間段內(nèi)被高強度開采，并且因此前的技術(shù)原因，大量優(yōu)質(zhì)煤炭資源被遺留浪費，如今為了提高煤炭利用率，同時延長礦井的服務(wù)年限，對這些遺留的煤炭資源進行了重新開采[2-3]。在復(fù)采過程中，原煤層采出后冒落的頂板巖塊經(jīng)壓實膠結(jié)形成低強度的再生頂板[4]，此種頂板不僅漏風(fēng)裂隙多、強度差，而且含煤量高，易被巷道風(fēng)流氧化自燃從而導(dǎo)致礦井火災(zāi)甚至引發(fā)瓦斯爆炸[5-7]。因此，再生頂板的防護與控制是煤炭行業(yè)當(dāng)前的熱點問題之一。

再生頂板由于形成機理的特殊性，導(dǎo)致其承載能力較差[8]，余明高等[9]利用FLAC3D軟件研究了補連塔礦回采各階段的覆巖與塑性區(qū)變化發(fā)現(xiàn)，覆巖裂隙有貫通地表的風(fēng)險，增加了采空區(qū)煤自燃的可能性，并且強度差的覆巖垮落高度顯著超過堅硬覆巖；宋學(xué)峰等[10]利用3DEC研究復(fù)采時再生頂板中的弱膠結(jié)巖破壞機理時發(fā)現(xiàn)，巖梁破壞前將形成三鉸拱結(jié)構(gòu)，并逐漸在巖塊膠結(jié)面出現(xiàn)開裂、滑移從而誘發(fā)失穩(wěn)垮落。綜上表明，天然的支護條件對維持巷道自穩(wěn)尤其是覆巖破碎的再生頂板巷道是更加困難的。王平等[11]提出的“護底、固幫、控底”軟弱圍巖控制原理與“三支一體”體系滿足了州景煤礦再生頂板的各階段穩(wěn)定性要求；郝登云等[12]采用錨桿錨索支護不連溝煤礦發(fā)現(xiàn)，頂板離層量在巷道圍巖暴露后，隨時間推移緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定。而裂隙貫通的再生頂板含煤量高，使用錨固支護不易阻止上覆采空區(qū)的遺煤自燃；楊勝強等[13]結(jié)合陽泉礦區(qū)近距離上覆巖層冒落特點與通風(fēng)方式研究了煤巖裂隙發(fā)育誘導(dǎo)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及自燃特征；劉雷政[14]對淺埋藏近距離煤層群二次開采條件下的覆巖裂隙發(fā)育特征及漏風(fēng)規(guī)律進行了研究，并對上覆采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域進行了判定。

通過前人對再生頂板的研究可以發(fā)現(xiàn)，再生頂板的防控應(yīng)從加固頂板減少裂隙漏風(fēng)與上覆碎煤自燃防治2方面著手，目前國內(nèi)外一般采用灌注膠結(jié)材料的方法，既可以加固頂板封堵裂隙又可以阻止遺煤自燃，常用的材料有：水泥漿[15]、環(huán)氧樹脂類[16]、泡沫體防滅火材料[17-19]等，但先前的材料在分子大小、流動性、成本以及泡沫穩(wěn)定性方面均存在一定的缺陷，因此本文制備1種流動性能好、泡沫穩(wěn)定性強的納米級無機灌漿材料具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作面概況

廣西右江礦務(wù)局州景煤礦5304工作面煤層為五煤，有3個分層，走向是南西-北東，傾向為北西-南東，平均傾角為6°左右，煤層厚度0.5～3.5 m。其中，四煤與五煤三層層間距在5～15 m，分為五煤一、五煤二、五煤三，工作面煤層賦存情況穩(wěn)定，自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自然發(fā)火煤層。5304回風(fēng)巷回采工作面頂板采用全部垮落法管理頂板，由五煤和四煤形成的再生頂板，地質(zhì)條件穩(wěn)定，但在多年采掘活動影響下局部出現(xiàn)小的地質(zhì)變化，如褶皺現(xiàn)象，對回采工作面影響甚微，在其再生頂板巖層特性見表1。

表1 再生頂板巖層特性Table 1 Characteristics of regenerated roof strata

2 模型構(gòu)建

2.1 物理模型

根據(jù)表1的再生頂板巖層特性可知，州景煤礦5304回風(fēng)巷回采工作面頂板圍巖軟弱破碎，主要由炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖以及破碎煤體構(gòu)成，其再生頂板混合巖體的平均密度、強度較低，再生頂板處理前后及其混合巖體的基本參數(shù)見表2～3。

表2 再生頂板混合巖體的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of regenerated roof mixed rock mass

表3 處理前后再生頂板力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanics parameters of regenerated roof after treatment

FLAC3D是在連續(xù)介質(zhì)基礎(chǔ)上的有限差分法數(shù)值模擬軟件，而力的傳播必須基于連續(xù)介質(zhì)，因此，對于州景煤礦5304回風(fēng)巷回采工作面再生頂板的分析以及巷道圍巖壓力分布規(guī)律的探究可采用FLAC3D進行模擬，其中模型長×高×寬=150 m×150 m×150 m，巷道截面為梯形，巷道高度2.5 m，上寬2.8 m，下寬3.6 m，數(shù)值模擬的邊界條件為模型前、后和左、右位移為0，頂面受上覆巖層地應(yīng)力作用，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造條件，此巖體為未經(jīng)受構(gòu)造作用的深部巖體，側(cè)壓系數(shù)K0=1/3，巷道經(jīng)開挖之后的模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示，其中網(wǎng)格總數(shù)共為307 800 個，在巷道位置進行網(wǎng)格局部加密。

圖1 5304回采工作面回風(fēng)巷模型Fig.1 Model of air return roadway of No.5304 working face

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1 應(yīng)力變化

根據(jù)上述條件對5304工作面回風(fēng)巷進行有無納米漿泡材料注漿膠結(jié)巷道的2種情況進行數(shù)值模擬，其圍巖應(yīng)力的重新分布結(jié)果如圖2所示。

圖2 圍巖應(yīng)力分布情況Fig.2 Stress distribution of surrounding rock

根據(jù)圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)，在頂板與底板位置，圍巖壓力顯著減小，存在明顯的卸載作用，由此說明再生頂板的自穩(wěn)能力不足，因此，對巷道頂板需要一定的支護，以此輔助控制頂板，這與現(xiàn)場的調(diào)研結(jié)果相符合，垂直應(yīng)力在巷道兩幫的圍巖中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓力峰值達(dá)到4.52 MPa；由圖2(b)可知，巷道頂?shù)装逯苓叺膰鷰r應(yīng)力并沒有因巷道的開挖而存在應(yīng)力減小的趨勢，說明膠結(jié)后的再生頂板可以滿足支撐的要求，此外，應(yīng)力集中的位置仍在兩幫，最大應(yīng)力達(dá)到4.2 MPa，相比于無控制措施的再生頂板明顯減小。

2.2.2 位移變化

由于模型較大，其網(wǎng)格數(shù)量較多，因此無法對巷道周圍的具體情況進行研究，故在巷道頂板、底板以及兩幫的中心圍巖位置選取4個監(jiān)測點，監(jiān)測點位置分別為(75，0，27.5)、(75，0，25)、(73，0，26)、(77，0，26)，以此進行實時的位移監(jiān)測，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 頂?shù)装逦灰谱兓疐ig.3 Top and bottom plate displacement changes

根據(jù)圖3(a)可看出，巷道頂板下沉量明顯，頂板最大位移達(dá)到2.75 m，最終導(dǎo)致整個巷道垮塌，相對而言，底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象較輕，僅為0.057 m；根據(jù)圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，在使用納米漿泡材料對巷道周邊的煤巖體進行膠結(jié)后，巷道頂?shù)装宓奈灰瞥霈F(xiàn)同步下沉變化的趨勢，最大位移不足0.2 m，對巷道整體影響不大。

依據(jù)圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，兩幫在不進行外界的控制措施時呈“對稱式收縮”的現(xiàn)象較為顯著，其兩幫各自收縮量可達(dá)0.2 m；依據(jù)圖4(b)可以表明，在使用納米漿泡材料膠結(jié)后，雖然兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但兩幫的位移變化量極小，不足0.000 8 m，處于正常的形變現(xiàn)象。

圖4 兩幫圍巖位移變化Fig.4 Changes in displacement of two surrounding rocks

2.3 孔隙率變化

為從微觀角度刻畫圍巖與頂板的變化，引入孔隙率的變化來表征頂板及其圍巖變形冪級數(shù)展開式[20]如式(1)～(2)所示：

(1)

ε=Δh/h

(2)

式中：t為時間步數(shù)；dε/dt為蠕變率；ai為多項式函數(shù)的系數(shù)；i，m為自然數(shù)；n為孔隙率；ε為蠕應(yīng)變；h,Δh分別為頂板初始高度與壓縮量，m。

在正常情況下，煤巖體孔隙率一般不高于30 %，因此根據(jù)高階無窮小的性質(zhì)可簡化式(1)為式(3)：

dε/dt=a0+a1n+a2n2

(3)

在未進行巷道開挖擾動前，圍巖的應(yīng)變率為0，故在初始狀態(tài)時，則有式(4)：

a0+a1n0+a2n02=0

(4)

在巷道開挖后，圍巖漸于穩(wěn)定，不再發(fā)生蠕變，穩(wěn)定時的孔隙率nk則有式(5)：

a0+a1nk+a2nk2=0

(5)

使用阿基米德原理測量州景煤礦5304工作面再生頂板巖體孔隙率，得式(6)：

n0=0.11,nk=0.32

(6)

由表1可知再生頂板厚度為17 m，對圖3與圖4中無納米漿泡材料注漿膠結(jié)巷道的情況下巷道頂板、底板以及下幫、上幫位移變化進行擬合，并求導(dǎo)可得蠕變率分別為式(7)：

(7)

根據(jù)式(7)與圖3、圖4可以看出，在無控制措施時，頂板的蠕變率最大，則頂板的孔隙率變化也最為明顯，危險性最大，故依據(jù)式(3)～(7)可知此種情況下的頂板孔隙率變化函數(shù)為式(8)：

(8)

由式(8)可以看出，孔隙率的最小值為0.215，不符合初始孔隙率測量值為0.11，因此，需要對式(8)進行修正，如式(9)所示：

(9)

從圖5可以看出，孔隙率的變化并不是隨時間的推移而逐漸增加，在時步到3 000之前，孔隙率逐漸增大，但增長速率漸小，當(dāng)時步達(dá)到3 000 步時，孔隙率最大，達(dá)到0.4，在3 000～5 000 步時，孔隙率開始降低，與位移變化存在明顯區(qū)別，這是因為在擾動作用下，前期孔隙發(fā)育導(dǎo)致頂板持續(xù)蠕變，當(dāng)孔隙發(fā)育到峰值時，地應(yīng)力又會將松散頂板進行壓實，這時頂板孔隙率會降低，而蠕變在地應(yīng)力的作用下會持續(xù)進行，和孔隙率變化存在異步延遲的現(xiàn)象。

圖5 無控制措施下孔隙率變化Fig.5 Porosity change without control measures

針對圖3與圖4中納米漿泡材料注漿膠結(jié)巷道的情況下巷道頂板、底板以及下幫、上幫位移變化進行擬合并求導(dǎo)可得蠕變率分別為式(10)：

(10)

使用納米漿泡材料膠結(jié)的頂板，對頂板裂隙具有封堵的效果，其初始孔隙率近似為0，穩(wěn)定狀態(tài)的孔隙率為0.13，則此種情況下的頂板孔隙率變化函數(shù)為式(11)：

(11)

從圖6可以看出，納米漿泡材料膠結(jié)后再生頂板孔隙率先減小后增大，其變化幅度小。這是因為膠結(jié)后再生頂板的強度足夠支撐上覆巖層的負(fù)重，所以巖石在荷載作用下發(fā)生彈性變形，并且在膠結(jié)后，原破碎的頂板被逐漸壓實，孔隙率逐漸減小，在達(dá)到最小值后，頂板開始逐漸恢復(fù)變形，所以此時孔隙率逐漸變大。

圖6 注漿膠結(jié)下孔隙率變化Fig.6 Change of porosity under grouting and cementation

依據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)在使用納米漿泡材料后，采空區(qū)與工作面CO發(fā)生明顯下降，采空區(qū)也不再有O2滲入，可以說明納米漿泡材料已注入采空區(qū)以及再生頂板的煤巖裂隙中，使用納米漿泡材料可以封堵頂板的原有裂隙，減小初始孔隙率，達(dá)到從根本上解決裂隙演化的問題，避免裂隙漏風(fēng)誘發(fā)的頂板甚至采空區(qū)遺煤自燃問題。

圖7 采空區(qū)與工作面煤自燃指標(biāo)氣體濃度Fig.7 Coal spontaneous combustion index gas concentration in goaf and nining face

依據(jù)圖7可以看出，在4月28日對州景煤礦5304工作面的再生頂板注入納米漿泡材料后，采空區(qū)與工作面CO發(fā)生明顯下降，采空區(qū)也不再有O2滲入，尤其是工作面的CO體積分?jǐn)?shù)從起始約200×10-6急劇下降至24×10-6以下，符合作業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，對后期執(zhí)行掘進工作有顯著的促進作用，同時指標(biāo)氣體的下降也表明納米漿泡材料已注入采空區(qū)以及再生頂板的煤巖裂隙中，使用納米漿泡材料可以封堵頂板的原有裂隙，減小初始孔隙率，達(dá)到從根本上解決裂隙擴展問題，避免裂隙漏風(fēng)誘發(fā)的頂板甚至采空區(qū)遺煤自燃。

3 結(jié)論

1)根據(jù)州景煤礦的現(xiàn)場工況使用FLAC3D數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在不采取任何控制措施的情況下，巷道頂?shù)装逦灰拼?，極有可能會發(fā)生頂板垮塌事故且應(yīng)力在兩幫集中，兩幫位移大，巷道斷面收縮率極大。

2)使用納米漿泡材料膠結(jié)處理后發(fā)現(xiàn)，巷道頂?shù)装逦灰撇幻黠@，僅有稍微的下沉，雖然兩幫仍為應(yīng)力集中的區(qū)域，但兩幫位移極小，巷道斷面基本不發(fā)生收縮。

3)依據(jù)頂板蠕變與孔隙率之間的關(guān)系，引入冪函數(shù)進行理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，使用納米漿泡材料注漿膠結(jié)的再生頂板其孔隙率變化幅度小，孔隙演化不顯著，有利于提高頂板強度并解決再生頂板裂隙漏風(fēng)問題，避免漏風(fēng)導(dǎo)致頂板甚至采空區(qū)遺煤自燃。