淺埋煤層群開采區(qū)段煤柱失穩(wěn)力學機理研究

商鐵林 ,王金東 ,索永錄 ,王智懿

(1.榆林學院 能源工程學院,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054)

我國新疆、內(nèi)蒙、山西和陜西等地煤炭資源儲量豐富,大部分礦區(qū)煤層具有埋藏淺、層數(shù)多和距離近等特點,其中陜北侏羅紀煤田位于鄂爾多斯富煤盆地的核心區(qū),劃分為神府礦區(qū)、榆神礦區(qū)、榆橫礦區(qū)和靖定預(yù)查區(qū),主要含煤層段為延安組(J2y),含煤10～15 層,主要可采5～7 層,累計可采厚度15～20 m,煤層間距20～40 m,煤田總分布面積31 600 km2,煤炭資源量2 267 億噸,累計探明儲量為1 596 億噸,已經(jīng)建成為億噸級高產(chǎn)高效礦區(qū)[1-3]。陜西省榆林市的原煤產(chǎn)量2019 年為4.64 億噸,2020 年為5.17 億噸,2021 年為5.52 億噸,大規(guī)模的開采,導(dǎo)致很多礦區(qū)大型礦井第一層煤層已經(jīng)開采完畢,陸續(xù)轉(zhuǎn)向下部煤層的開采,諸多千萬噸大型礦井均存煤層群開采問題。

針對下煤層區(qū)段煤柱的合理布置位置和煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律,廣大學者結(jié)合具體的工程實踐開展了廣泛的研究。索永錄[4]以澄合百良旭升煤礦為工程實踐背景,應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,分析了下煤層工作面巷道采用內(nèi)錯、重疊和外錯布置。張杰[5]為了確定南梁礦合理的區(qū)段煤柱尺寸,在相似模擬實驗原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了區(qū)段煤柱不同尺寸的平面模型和立體模型并進行煤柱的穩(wěn)定性研究。黃慶享以陜北神南礦區(qū)檸條塔煤礦為背景,建立了應(yīng)力場-位移場-裂縫場耦合控制模型,提出了煤柱錯距的計算方法,得出合理的煤層錯距有利于下煤層巷道維護和減緩地表破壞、可以降低煤柱導(dǎo)致的應(yīng)力集中,減輕不均勻沉降和地表裂縫發(fā)育[6-8]。杜君武[9]分析了不同錯距時下部煤層區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性,給出下部煤層區(qū)段煤柱留設(shè)位置的優(yōu)選原則。曹健[10]通過建立上煤柱底板集中應(yīng)力計算模型,分析上煤層煤柱底板集中應(yīng)力分布規(guī)律,提出基于下煤柱集中應(yīng)力控制的煤柱錯距確定方法。趙雁海[11]根據(jù)補連塔礦的實際開采情況,分析了上部煤柱底部應(yīng)力及下部巷道圍巖變形情況,并對淺埋煤層下行聯(lián)合開采過程中回采巷道錯距等問題進行了研究。張百勝[12]提出采用應(yīng)力改變率確定極近距離下部煤層回采巷道的合理位置方法。張煒[13]應(yīng)用應(yīng)力場變化率系數(shù),均布載荷計算得出的錯距和底板破壞情況,以此確定工作面回采巷道合理內(nèi)錯距。李春元[14]根據(jù)遺留區(qū)段煤柱對底板應(yīng)力的擾動傳播規(guī)律,計算分析了遺留煤柱區(qū)域下伏煤層開采的擾動寬度范圍。

榆林地區(qū)淺埋煤層群的高強度開采,地表產(chǎn)生了大量的塌陷裂縫,為了保護脆弱的地表生態(tài)環(huán)境,避免地表破壞程度的加大,下煤層開采過程中上部遺留區(qū)段煤柱必須失穩(wěn)下沉。目前,針對遺留區(qū)段煤柱失穩(wěn)力學機理研究較少,亟待深入研究。

1 區(qū)段煤柱失穩(wěn)力學機理

根據(jù)物理相似模擬實驗,下煤層特定的區(qū)段煤柱布置位置會導(dǎo)致上煤層遺留區(qū)段煤柱突然下沉結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)現(xiàn)象,間隔巖層出現(xiàn)“逆斷層”式破斷結(jié)構(gòu),圍巖破斷特征如圖1 所示。

圖1 3-1 煤遺留區(qū)段煤柱失穩(wěn)圍巖破斷結(jié)構(gòu)特征

煤礦生產(chǎn)過程中,上覆遺留煤柱的失穩(wěn)運動會造成下煤層回采平巷的變形破壞或開采工作面支架壓力升高,甚至出現(xiàn)沖擊礦壓現(xiàn)象,影響平巷支護方案的設(shè)計和工作面安全開采。在特定煤礦的工程地質(zhì)條件下,間隔巖層發(fā)生破斷的中心錯距位置各不相同,主要受上覆遺留區(qū)段煤柱應(yīng)力集中程度和間隔巖層的力學性質(zhì)影響。因此,有必要對其發(fā)生位置的力學發(fā)生機理進行深入研究。

1.1 間隔巖層受力分析

間隔巖層的各組成巖層物理力學性質(zhì)決定關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征、層位、破壞范圍間隔巖層的破壞形態(tài)、垮落破斷幾何結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)力分布狀態(tài)。間隔巖層煤巖力學參數(shù)決定其關(guān)鍵層數(shù)量(無、單一和多關(guān)鍵層),影響下煤層頂板的結(jié)構(gòu)形態(tài)和來壓特點[15],本研究煤礦間隔巖層表現(xiàn)為無關(guān)鍵層,形成整體性破斷現(xiàn)象。而且榆林大多煤礦生產(chǎn)企業(yè)區(qū)段煤柱的一般設(shè)計留設(shè)尺寸較大,兩側(cè)煤層開采開采結(jié)束后,遺留的區(qū)段煤柱在中央仍然存在彈性區(qū)(彈性核),處于穩(wěn)定狀態(tài),在底板應(yīng)力集中就更顯著。

上覆遺留區(qū)段煤柱的失穩(wěn)是下部間隔巖層的突然整體性破斷引起其急劇下沉,為探求上覆遺留區(qū)段煤柱失穩(wěn)力學機理,按照相似材料模擬實驗中形成的幾何結(jié)構(gòu)特征,繪制中心錯距為l 時下部間隔巖層的受力狀態(tài),如圖2 所示。間隔巖層受力狀態(tài)與常規(guī)開采中的基本頂受力環(huán)境截然不同,遺留區(qū)段煤柱對間隔巖層形成較大的集中應(yīng)力,造成其力學破壞變形。

圖2 間隔巖層受力圖

圖中間隔巖層受力狀態(tài)為懸臂梁結(jié)構(gòu),其BC段受力可簡化為均布載荷q1,包含遺留區(qū)段煤柱上部“倒梯形” 結(jié)構(gòu)重力、遺留區(qū)段煤柱重力和間隔巖層自身重力,具體為公式(1)。AB段受力為均布載荷q2,包含間隔巖層自重和垮落頂板應(yīng)力,計算公式(2)。

式中,a為區(qū)段煤柱寬度(上下煤柱取相同數(shù)值,如20),m;b為上煤層遺留區(qū)段煤柱上覆倒梯形結(jié)構(gòu)在地表處寬度,其數(shù)值可以用公式(3)計算,m;h1為上覆倒梯形結(jié)構(gòu)至地表的高度,m;h2為間隔巖層的高度,m;h3為頂板垮落帶高度,m;M為上部煤層厚度,m;γ1為上覆倒梯形結(jié)構(gòu)巖層平均容重,N/m3;γ2為間隔巖層平均容重,kN/m3;γ3為垮落頂板平均容重,kN/m3;γM為煤層容重,kN/m3;α1頂板巖層(土層)垮落角,°;α2頂板巖層(間隔基巖層)垮落角,°。

1.2 間隔巖層垮落距離

以A點作為坐標原點建立O -x坐標系,間隔巖層垮斷的懸臂梁力學模型如圖3 所示。圖中l(wèi) 數(shù)值等于上下區(qū)段煤柱中心錯距。

圖3 間隔巖層懸臂梁力學模型

因為A、B 兩點為間隔巖層的受力分界點,將梁分為AB 和BC 兩段,應(yīng)用截面法以右邊部分作為平衡對象分別計算間隔巖層梁截面上的剪力FQ(x)和彎矩M(x) 方程。

對于方程(4)、(5)、(6)、(7)進一步分析間隔巖層懸臂梁的最大剪應(yīng)力和彎矩為A 點(x=0)斷面處。

應(yīng)力變化點B(x=l -a) 斷面處剪應(yīng)力和彎矩為公式(10)和(11),其數(shù)值也較大,容易發(fā)生力學破壞。

間隔巖層懸臂梁A、B 端點橫截面的上、下端點,正應(yīng)力數(shù)值最大,可以用公式(12)計算。對于懸臂梁最容易發(fā)生拉破壞,其位置為A、B 端點上截面最高處。

式中,Wz為彎曲截面系數(shù),m3。

對于寬度為b,高度為h的矩形截面

間隔巖層的高度為h2,傾向方向取單位寬度l,則最大拉應(yīng)力可用公式(13)計算:

由材料力學可知,對于矩形截面,切應(yīng)力沿截面高度按拋物線分布,最大切應(yīng)力發(fā)生在中性軸上(y=0)上,最大切應(yīng)力可用公式(14)計算。

當正應(yīng)力達到該處巖層的抗拉強度極限RT,巖層將在該處拉裂。將公式(9)與(13)聯(lián)立,可以計算出間隔巖層極限垮落跨距LT(等于中心錯距)。若以最大剪應(yīng)力作為間隔巖層斷裂的依據(jù),最大剪應(yīng)力達到極限強度RS,則將公式(8)與(14)聯(lián)立,可以計算出間隔巖層極限垮落跨距LS(等于中心錯距)。

2 實例分析

以紅柳林煤礦北二盤區(qū)3-1煤、4-2煤與5-2煤開采6-HB6 號鉆孔柱狀圖為例,3-1煤厚3 m,上覆巖層厚度114 m,4-2煤厚4 m,3-1煤與4-2煤間隔巖層厚度40 m,間采比為10。5-2煤厚6 m,4-2煤與5-2煤間隔巖層厚度63 m,間采比為10.5?；鶐r平均容重26.3 kN/m3,煤層容重13.5 kN/m3,上覆巖層(包含土層)容重18.7 kN/m3,區(qū)段煤柱寬度取值20 m,頂板巖層(土層)垮落角α1為65°左右,頂板巖層(間隔基巖層)垮落角α2為60°左右,榆林地區(qū)淺埋煤層開采完畢后,上覆巖層垮落發(fā)展至地表,因此h3可以取值到地表。按照相關(guān)地質(zhì)勘探報告巖層的抗拉強度極限RT為2.96 MPa 左右,抗剪極限強度RS為6.03 MPa 左右。

帶入以上公式計算3-1煤和4-2煤的間隔巖層斷裂中心距間距LT=46.66 m,LS=1 984 m;4-2煤和5-2煤的間隔巖層斷裂中心距間距LT=51.58 m,LS=2 744 m。間隔巖層采用最大剪應(yīng)力作為破斷依據(jù)得到的LS數(shù)值較大,采用最大拉應(yīng)力作為破斷依據(jù)得到的數(shù)值較小,因此,上覆遺留區(qū)段煤柱失穩(wěn)的力學過程和機理是間隔巖層首先在A 點和B 點出現(xiàn)拉破壞,形成以A 點和B 點為支點的上下錯動運動,在斷裂錯動過程中,間隔巖層內(nèi)部進一步發(fā)生剪切破壞。

3 結(jié)論

(1)榆林地區(qū)淺埋煤層群開采,特定的區(qū)段煤柱布置位置,上煤層遺留區(qū)段煤柱出現(xiàn)劇烈結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的現(xiàn)象,強礦山壓力對下煤層平巷和區(qū)段煤柱構(gòu)成安全隱患,下煤層區(qū)段煤柱布置需合理設(shè)計。

(2)上煤層遺留區(qū)段煤柱失穩(wěn)中心錯距位置,是間隔巖層的受力狀態(tài)和自身力學性質(zhì)的綜合作用,在上下區(qū)段煤柱的端點處首先發(fā)生拉破壞,區(qū)段煤柱進一步上下錯動,間隔巖層內(nèi)部發(fā)生剪切破壞。

(3)榆林地區(qū)淺埋煤層群間隔巖層厚度不大,容易形成無關(guān)鍵的整體破斷結(jié)構(gòu),采用懸臂梁理論可以計算上煤層遺留煤柱發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的中心錯距。紅柳林煤礦3-1煤和4-2煤發(fā)生失穩(wěn)的中心錯距為46.66 m,4-2煤和5-2煤發(fā)生失穩(wěn)的中心錯距為51.58 m,下煤層區(qū)段煤柱的布置必須避開此位置,使上覆遺留煤柱的失穩(wěn)過程發(fā)生在后方采空區(qū)。