石門揭煤過程中應(yīng)力與位移演化特征研究

曹建來(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司五陽煤礦, 長治 046299)

1 前言

煤與瓦斯突出是煤礦災(zāi)害之一[1],表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)噴出大量煤與瓦斯,破壞通風(fēng)、巷道設(shè)施,甚至誘發(fā)瓦斯燃燒與爆炸[2],嚴(yán)重威脅煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)[3]。 其中,我國80%的重、特大型突出事故集中發(fā)生于石門揭煤過程[4]。 因此,石門揭煤防突是煤礦企業(yè)安全治理的工作重點(diǎn)[5]。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對石門揭煤誘發(fā)突出開展了多層次、多角度的研究[6-8],研究成果主要集中于現(xiàn)場試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值仿真、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。 其中,汪北方等[9]通過研究石門揭煤過程中圍巖力學(xué)響應(yīng)特征,提出瓦斯預(yù)抽+改進(jìn)金屬骨架的綜合防突措施。 李賀等[10]借助理論分析與數(shù)值模擬,研究原巖應(yīng)力對石門揭煤突出危險(xiǎn)性的影響,認(rèn)為揭煤石門應(yīng)平行于最大水平主應(yīng)力掘進(jìn)。 楊威等[11]提出“強(qiáng)弱強(qiáng)”石門揭煤原理及方法,并借助數(shù)值模擬對比驗(yàn)證。 韓萬東等[12]運(yùn)用FLAC3D軟件探討了石門揭煤中地應(yīng)力的變化,指出地應(yīng)力是誘發(fā)煤與瓦斯突出的絕對因素。 綜上所述,盡管對石門揭煤中應(yīng)力特征開展了大量研究,但是對石門工作面掘進(jìn)期間造成的應(yīng)力、位移演化等研究較少,且石門揭煤防突技術(shù)仍尚待完善。 因此,本文以山西省襄垣縣某礦為研究對象,借助數(shù)值模擬分析82 采區(qū)石門揭3#煤工作面的應(yīng)力、位移分布特征,為類似條件下石門揭煤防突提供理論參考。

2 工程概況

2.1 工程背景

該礦82 采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,為瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū),采區(qū)內(nèi)可采煤層為5 層,其中3#煤層厚度4.2 m(待揭煤層),瓦斯初始?jí)毫?.54 MPa,煤層傾角60°,平均埋深580 m。 煤質(zhì)為焦煤,表面呈現(xiàn)為灰黑色,性脆。 煤層頂板為砂巖(厚度5.23 ～14.26 m),底板為泥巖為主(厚度2.33 ～15.21 m),層理不明顯,整體為塊狀且性質(zhì)較軟。 煤巖主要力學(xué)參數(shù)見表1。 部分參數(shù)計(jì)算公式為

表1 煤巖體主要力學(xué)參數(shù)

式中:K為體積模量,GPa;G為剪切模量,GPa;E為彈性模量,GPa;v為泊松比;c為內(nèi)聚力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角。

2.2 邊界條件

鑒于缺乏3#煤層現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果,以下結(jié)合礦井歷史資料[13],獲得該礦地應(yīng)力與煤層埋藏深度的表達(dá)式如下:

(1)水平應(yīng)力:水平應(yīng)力與埋藏深度成線性增長關(guān)系,其回歸方程為

式中:H為煤層埋深,m。

(2)垂直應(yīng)力:垂直應(yīng)力與埋藏深度成線性增長關(guān)系,其回歸方程為

另外,鑒于3#煤層平均埋深為580 m,結(jié)合式(4) ～(5)獲得3#煤層的垂直應(yīng)力為13.08 MPa,水平應(yīng)力為8.05 MPa。 為避免經(jīng)驗(yàn)公式存在人為誤差,結(jié)合礦區(qū)地應(yīng)力情況,數(shù)值模擬選取垂直應(yīng)力13 MPa,水平應(yīng)力8 MPa。

2.3 模型構(gòu)建

為分析石門揭煤過程中圍壓力學(xué)響應(yīng)機(jī)制,根據(jù)82 采區(qū)煤巖層基本概況,建立相應(yīng)的FLAC3D模型,具體如圖1 所示。 其中,石門掘進(jìn)工作面的開挖巷道尺寸為寬4 m、高4 m,且模擬煤巖層與現(xiàn)場實(shí)際巖層一致,煤層傾角60°,數(shù)值計(jì)算模型長度為90 m、寬度60 m、高度60 m,本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫彈塑性破壞準(zhǔn)則(M-C 準(zhǔn)則)。 其中,M-C 準(zhǔn)則的主應(yīng)力為

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

式中:σ1為最大主應(yīng)力,MPa;σ3為最小主應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角。

為研究巷道位于不同垂距處,巷道圍巖應(yīng)力分布特征及位移變化,繪制揭煤工作面與待揭煤層模型示意圖,具體如圖2 所示。

圖2 石門揭煤時(shí)的巷道開挖模型

3 數(shù)值模擬分析

石門揭煤過程的本質(zhì)是在非均質(zhì)巖層中掘進(jìn)的過程,即人為擾動(dòng)過程[14]。 其中,煤巖力學(xué)性質(zhì)的改變必然打破原有應(yīng)力平衡狀態(tài),造成應(yīng)力重分布、圍巖變形及破壞等。 因此,了解石門掘進(jìn)過程中應(yīng)力、位移分布對于預(yù)防突出具有重要意義。

3.1 地應(yīng)力分布

為探討石門工作面推進(jìn)位置對巷道圍巖應(yīng)力分布的影響,以下借助FLAC3D模擬軟件,模擬石門揭煤過程的6 個(gè)關(guān)鍵位置(超前探測及局部防突位置),即掘進(jìn)工作面距離待揭煤層20 m、17 m、14 m、5 m、2 m、0 m 時(shí)的圍巖應(yīng)力分布,具體如圖3 所示。

圖3 巷道剖面方向的垂直應(yīng)力分布云圖

由圖3 可以看出,受石門揭煤工作面推進(jìn)位置影響,工作面超前支承壓力隨位置變化而動(dòng)態(tài)移動(dòng),即揭煤工作面圍巖始終處于高應(yīng)力狀態(tài),且部分集中應(yīng)力區(qū)域呈現(xiàn)“雙耳”狀形態(tài)[15-16],即應(yīng)力集中效應(yīng)顯著。 當(dāng)掘進(jìn)至距3#煤垂距20 m 時(shí),受石門掘進(jìn)造成應(yīng)力重分布,即巷道圍巖受到石門揭煤擾動(dòng)影響;當(dāng)掘進(jìn)至距3#煤垂距0 m 時(shí),受煤巖體破碎機(jī)超前支承壓力的影響,巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生顯著變化,出現(xiàn)大范圍應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域。 究其原因,隨著工作面的持續(xù)推進(jìn),巷道與待揭煤層垂距減小,承載煤巖層厚度減小,承載能力降低,導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)展,且由于煤體強(qiáng)度相對巖層較弱,擾動(dòng)應(yīng)力分布區(qū)域較廣泛。 另外,考慮到地應(yīng)力對煤層滲透性影響可知,工作面前方超前支承應(yīng)力造成煤巖層裂隙閉合,滲透性降低,透氣性減弱。 因此,可采用區(qū)域預(yù)抽、瓦斯排放鉆孔等措施,降低前方煤體瓦斯?jié)撃?增強(qiáng)煤體強(qiáng)度,降低煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性。 根據(jù)石門掘進(jìn)不同位置下的垂直應(yīng)力分布云圖繪制相應(yīng)的應(yīng)力變化趨勢,具體如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖垂直應(yīng)力特征曲線

對圖4 中垂直應(yīng)力曲線分析可知,揭煤巷道與煤體的法向距離,對巷道圍巖應(yīng)力分布影響較大,二者呈二次函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)距離待揭煤層法向距離0 m時(shí)垂直應(yīng)力最大值為23.83 MPa,為垂距20 m 條件下煤樣應(yīng)力的1.74 倍,易造成前方煤巖破壞,降低煤巖承壓能力;當(dāng)距離待揭煤層垂距為2 m 時(shí),垂直應(yīng)力為21.26 MPa,為應(yīng)力峰值的89.22%;當(dāng)垂距為5 m 時(shí)垂直應(yīng)力最小,為19.34 MPa。 當(dāng)垂距為14 m 時(shí)垂直應(yīng)力最小,為16.11 MPa。 隨著掘進(jìn)工作面與煤層距離的減少,垂直應(yīng)力呈現(xiàn)迅速增長的趨勢。 因此,實(shí)際揭煤過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測地應(yīng)力變化,加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度。

3.2 垂直位移分布

為準(zhǔn)確反映受采動(dòng)影響巷道應(yīng)力重分布,導(dǎo)致的石門掘進(jìn)工作面巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形狀態(tài),繪制不同巷道位置下的垂直位移分布云圖如圖5 所示。

圖5 巷道剖面方向的垂直位移分布云圖

鑒于石門掘進(jìn)期間巷道頂?shù)装遄冃瘟肯鄬^大、兩幫變形量較小,以下對不同掘進(jìn)位置下巷道變形量峰值展開分析。 同時(shí),根據(jù)巷道圍巖垂直位移分布云圖繪制相應(yīng)的巷道變形量變化趨勢,具體如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖垂直位移特征曲線

綜合分析圖5、6 可知,隨著掘進(jìn)工作面與待揭煤層距離減小,巷道圍壓變形量顯著增加,宏觀表現(xiàn)為位移影響范圍增大,且二者呈二次函數(shù)關(guān)系。 結(jié)合應(yīng)力分析可知,與3#煤間距為20 m 時(shí),石門工作面超前支承壓力未顯著影響巷道圍巖變形,此時(shí)頂?shù)装宸逯迪鲁亮績H為12.49 cm;當(dāng)距3#煤距離17 m時(shí),石門工作面最大下沉量為18.27 cm,此時(shí)變形量未顯著變化;當(dāng)距3#煤距離14 m 時(shí),石門工作面最大下沉量為20.32 cm;當(dāng)距離3#煤5 m 時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域前移,造成煤體內(nèi)彈性變性能量激增,表現(xiàn)為下沉量顯著增加,為前述垂距20 m 的3.2 倍;當(dāng)距3#煤2 m 時(shí),石門工作面變形量進(jìn)一步擴(kuò)大至48.34 cm,且煤體集中應(yīng)力影響區(qū)顯著增加;當(dāng)距3#煤距離0 m 時(shí),石門工作面最大下沉量為72.22 cm,此時(shí)若不進(jìn)行人為加固處理,將導(dǎo)致工作面頂板垮落,巷道大面積變形、破壞,嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。同時(shí),由于煤體強(qiáng)度較低,易造成煤體積聚的彈性能瞬間釋放,誘發(fā)瓦斯、煤巖突出。

4 石門揭煤防突措施

上述研究表明,石門揭煤工作面掘進(jìn)過程中超前支承壓力會(huì)隨掘進(jìn)位置向前移動(dòng),巷道圍巖應(yīng)力集中程度顯著升高,易造成頂板下沉、底板鼓起等現(xiàn)象,極易誘發(fā)煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力學(xué)災(zāi)害。

因此,結(jié)合本礦井實(shí)際情況,可首先采用預(yù)抽煤層瓦斯進(jìn)行瓦斯綜合治理,其中,排放瓦斯鉆孔布置于石門外3 ～5 m,直徑75 mm;其次,在石門掘進(jìn)接近煤層垂距5 m 時(shí),可采用水力化措施(水力沖孔、水力割縫、水力擴(kuò)孔、沖煤掃孔等)對前方煤巖體増透致裂[17-18],消除地應(yīng)力的集中,提高煤層透氣性,降低瓦斯?jié)撃堋?最后,揭煤時(shí)應(yīng)加強(qiáng)過煤段的支護(hù),可采用注漿固化煤巖體,加強(qiáng)巷道支護(hù),避免圍巖變形,達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。

5 結(jié)論

(1)基于FLAC3D數(shù)值模擬可知,在巷道兩幫2～8 m 出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,且隨距待揭煤層垂距的減小而增大,揭煤時(shí)應(yīng)力峰值為23.83 MPa,造成巷道變形破壞嚴(yán)重。

(2)石門揭穿煤層過程易造成巷道頂?shù)装鍛?yīng)力重分布,導(dǎo)致變形量顯著增大,其中距3#煤層0 m 范圍內(nèi),最大變形量為72.22 cm,極易產(chǎn)生頂板垮落及底鼓現(xiàn)象,誘發(fā)煤與瓦斯突出事故。

(3)通過數(shù)值模擬對比研究應(yīng)力、位移分布,可掌握揭煤過程中圍巖力學(xué)響應(yīng)情況及位移分布,指導(dǎo)該礦揭煤過程采用局部預(yù)抽、煤體固化、金屬骨架等措施,進(jìn)而為類似礦井揭煤措施的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。