基于FLAC3D的趙固二礦孤島工作面頂板注漿數(shù)值模擬

孫建華, 趙魯金, 張鵬飛, 魏春榮, 王 超

(黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

現(xiàn)階段工作面開采過程中,跳越開采被大多數(shù)煤礦所采用。但是這種開采方式會形成兩側(cè)被采空的孤島工作面。在孤島工作面回采,會出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道圍變形大等情況,難以實現(xiàn)礦井的安全高效開采[1-3]。為了解決孤島工作面的開采困難問題,國內(nèi)外學(xué)者通過大量研究得出了許多成果。

河南能源焦煤集團趙固二礦11030 (6.5 m),設(shè)計生產(chǎn)能力為180萬t/a,服務(wù)年限為55.5 a。礦井采用立井單水平盤區(qū)開拓,煤層直接頂板以砂質(zhì)泥巖為主。11030工作面內(nèi)頂板壓力明顯,煤壁片幫以及工作面內(nèi)頂板小范圍冒頂事故頻繁,兩巷壓力顯現(xiàn)更加明顯,上下兩巷安全口變形嚴重,直接影響工作面回采、行人通道以及工作面供風(fēng)量,這給工作面正常生產(chǎn)、兩巷維護帶來了相當(dāng)大的困難。有許多學(xué)者對工作面巖層運動進行了大量研究,蘇曉建[4]以 11050 工作面為背景,采用模擬方法研究了大采高工作面推進過程中頂板運移特征。廖鵬[5]研究了孤島工作面沿空掘巷的巷道圍巖變形規(guī)律和煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律。弓昊[6]使用FLAC3D軟件的滲流模式進行二次開發(fā),分析工作面推進過程中覆巖及采空區(qū)滲透率的演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)覆巖塑性區(qū)的高度以及損傷程度隨著工作面推進距離的增大而增大。針對這些開采問題,有許多學(xué)者提出了包括注漿在內(nèi)的多種提高安全性的方法。劉海東等[7]針對頂板破碎圍巖巷道成型難、頂板鏤空等問題,提出采用“錨護噴注”一體化支護技術(shù)。武宗剛[8]認為采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯+槽鋼梁+噴、注漿”聯(lián)合支護技術(shù)能有效控制巷道的大變形。王鍇[9]等提出通過應(yīng)用自動化注漿系統(tǒng),能夠提高生產(chǎn)效率。但是關(guān)于在注漿之后,頂板的運動規(guī)律以及塑性區(qū)、頂板垂直位移等參數(shù)在注漿前后的變化情況相關(guān)研究較少。筆者采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對11030孤島工作面頂板進行研究。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型,在工作面分別推進到100、200、300 m時,模擬該孤島工作面頂板應(yīng)力、位移、塑性區(qū)在注漿前后的變化情況。

1 孤島工作面數(shù)值模型

1.1 模型尺寸

為了能夠在模型中較為精確的表現(xiàn)出孤島工作面上覆巖層應(yīng)力、位移在注漿前后變化情況,特將11030孤島工作面的實際走向長度為平均2 000 m,實際傾斜寬161 m,釆高6 m。為了在計算誤差允許范圍內(nèi)盡量減少模型的網(wǎng)格數(shù)量,在模型建立過程中,按照孤島工作面實際長度按比例選取300 m作為模型長度,工作面傾斜寬按比例確定為80 m。結(jié)合工作面實際注漿方案分析,分別對工作面推進到100、200、300 m時進行注漿模擬。為了消除邊界效應(yīng),在模型邊界各留設(shè)至少30 m的保護煤柱。最終確定模型長度為700 m,寬300 m,高為250 m,模型的幾何概況如圖1、2所示。圖中,不同顏色代表不同的巖層。

圖1 初始模型Fig.1 Initial model

圖2 初始應(yīng)力平衡Fig.2 Initial stress balance

1.2 邊界條件

模型計算時,前后固定y方向位移,左右固定x方向位移,底部為全約束。模型頂部施加垂直荷載,其值根據(jù)模型之上的巖層厚度計算得出。計算模盤的力學(xué)邊界條件,如圖3所示。

圖3 邊界條件Fig.3 Boundary conditions

1.3 力學(xué)參數(shù)

對于巖石而言,當(dāng)其外部所施加的載荷超過巖石本身的強度極限后,巖石將發(fā)生破壞,之后巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線將迅速下滑,破壞之后的巖石所具有的殘余強度隨著變形的繼續(xù)發(fā)展,也是迅速減小的。所以,對于大變形的巖石,應(yīng)該采用摩爾-庫倫 (Mohr-Coulomb)屈服準則。判斷巖石是否發(fā)生破壞,公式為

(1)

式中:σ1——最大主應(yīng)力;

σ3——最小主應(yīng)力;

C——黏聚力;

φ——摩擦角。

當(dāng)fs>0時,圍巖所受的應(yīng)力超出了其承載能力,此時的巖石就會發(fā)生破壞。模型中采用的巖層力學(xué)參數(shù)包括彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度各參數(shù)的具體數(shù)值,如表1所示。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2 工作面推進不同距離頂板注漿效果

2.1 工作面推進100 m

11030大采高孤島工作面推進100 m時,其前方煤壁垂直應(yīng)力分布,如圖4所示。由圖4a可知,11030工作面推進100 m時,工作面頂板采動應(yīng)力向煤壁前方傳遞,在前方煤層區(qū)域形成了應(yīng)力集中區(qū),值約為18 MPa,高于原巖應(yīng)力水平;同時可知,工作面兩側(cè)形成了兩個橢圓形的應(yīng)力集中區(qū),其中最大應(yīng)力集中值為20 MPa。由圖4b可知,11030工作面推進100 m進行注漿后,工作面頂板采動應(yīng)力向前集中依然明顯,應(yīng)力集中值仍為18 MPa,兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力集中值也還在20 MPa,由此可見孤島工作面頂板應(yīng)力集中相對劇烈,工作面注漿后對其產(chǎn)生的作用甚微。

圖4 工作面推進100 m前方煤壁垂直應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress distribution of coal wall 100 m ahead of working face

11030大采高孤島工作面推進100 m時,其頂板垂直位移分布,如圖5所示。

圖5 工作面推進100 m垂直位移分布Fig.5 Vertical displacement distribution of working face 100 m in advance

由圖5a可知,11030工作面推進100 m時,工作面的頂板運動后發(fā)生了相應(yīng)的垂直位移,頂板劇烈運動后導(dǎo)致由下而上垂直位移的變化越來越大,最大的垂直位移值達到了5.5 m,只有有效地控制頂板運動,才能創(chuàng)造有利的工作條件。由圖5b可知,11030工作面推進100 m時,對煤體頂板進行注漿。頂板垂直位移在注漿前后發(fā)生了顯著的變化,由注漿前的最大位移變化值5.5 m改變?yōu)樽{后的4.68 m。由此可見經(jīng)過注漿后頂板位移得到了有效控制。11030大采高孤島工作面推進100 m時,其塑性區(qū)如圖6所示。

圖6 工作面推進100 m塑性區(qū)Fig.6 Working face advancing 100 m plastic zone

由圖6可知,工作面推進100 m后,形成了不規(guī)則冒落帶、規(guī)則垮落帶、裂隙帶,11030工作面覆巖塑性區(qū)分布為上大下小型,注漿前的最大破壞深度為65 m,注漿后的最大破壞深度為56 m,由此可知,工作面注漿后對頂板塑性區(qū)的影響很顯著,進而可知注漿對頂板變形起到了較好的改善效果。

2.2 工作面推進200 m

11030大采高孤島工作面推進200 m時,其前方煤壁垂直應(yīng)力分布,如圖7所示。

圖7 工作面推進200 m前方煤壁垂直應(yīng)力分布Fig.7 Vertical stress distribution of coal wall 200 m ahead of working face

由圖7a可知,11030工作面推進200 m時,工作面前方應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力集中值約為18MPa,高于原巖應(yīng)力水平;兩側(cè)橢圓形的應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力集中值為21 MPa。由圖7b可知,11030工作面推進200 m進行注漿后,工作面頂板采動應(yīng)力向前集中情況依然明顯,應(yīng)力集中值沒有明顯變化,可知注漿加固后的頂板,其應(yīng)力集中情況并沒有效改變。11030大采高孤島工作面推進200 m時,其頂板垂直位移分布,如圖8所示。

圖8 工作面推進200 m垂直位移分布Fig.8 Vertical displacement distribution at 200 m of working face advance

由圖8a可知,11030工作面推進200 m時,工作面頂板運動后發(fā)生了相應(yīng)的垂直位移,劇烈的運動導(dǎo)致頂板由下而上垂直位移的變化越來越大,最大的垂直位移值達到了5.1 m。對煤體頂板進行注漿之后,工作面頂板運動發(fā)生的垂直位移在注漿前后發(fā)生了顯著的變化,由沒有注漿前的最大位移變化值5.12 m改變?yōu)樽{后的4.6 m,經(jīng)過注漿后頂板垂直位移得到了有效控制。11030大采高孤島工作面推進200 m時,其塑性區(qū),如圖9所示。

圖9 工作面推進200 m塑性區(qū)Fig.9 Working face advancing 200 m plastic zone

由圖9可知,工作面推進200 m后,形成了不規(guī)則冒落帶、規(guī)則垮落帶、裂隙帶,11030工作面上覆巖層塑性區(qū)分布為上大下小型,注漿前的最大破壞深度為66 m,注漿后的最大破壞深度為57 m,由此可知工作面注漿后對頂板塑性區(qū)的影響很顯著,進而可知注漿對頂板變形起到了較好的效果。

2.3 工作面推進300 m

11030大采高孤島工作面推進300 m時,其前方煤壁垂直應(yīng)力分布,如圖10所示。由圖10a可知,11030工作面推進300 m時,工作面前方形成的應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力集中值約為18 MPa,高于原巖應(yīng)力水平;兩側(cè)橢圓形應(yīng)力集中區(qū)最大應(yīng)力集中值為20.5 MPa。由圖10b可知,11030工作面推進300 m進行注漿后,工作面頂板采動應(yīng)力向前集中情況依然明顯,應(yīng)力集中值仍約為18 MPa,兩側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域中最大應(yīng)力集中值約在21.9 MPa,情況沒有有效改變。11030大采高孤島工作面推進300 m時,其頂板垂直位移分布,如圖11所示。

圖10 工作面推進300 m前方煤壁垂直應(yīng)力分布Fig.10 Vertical stress distribution of coal wall 300 m ahead of working face

圖11 工作面推進300 m垂直位移分布Fig.11 Vertical displacement distribution at 300 m of working face advance

由圖11a可知,11030工作面推進300 m時,工作面頂板運動后發(fā)生了相應(yīng)的垂直位移,工作面推進導(dǎo)致頂板劇烈運動,上覆巖層由下而上垂直位移的變化越來越大,最大的垂直位移值達到了5.8 m。對煤體頂板進行注漿之后,效果如圖11b所示,分析得知,工作面頂板運動發(fā)生的垂直位移在注漿前后發(fā)生了顯著的變化,由沒有注漿前的最大位移變化值5.8 m改變?yōu)?.7 m?？芍?jīng)過注漿后頂板位移得到了有效控制,給工作面的推進工作創(chuàng)造了有利條件。

11030大采高孤島工作面推進300 m時,其塑性區(qū)如圖12所示。

由圖12可知,工作面推進300 m后,形成了不規(guī)則冒落帶、規(guī)則垮落帶、裂隙帶,11030工作面上覆巖層塑性區(qū)分布為上大下小型,注漿前的最大破壞深度為68 m,注漿后的最大破壞深度為55 m,由此可知工作面注漿對頂板塑性區(qū)的影響很顯著,對阻止頂板變形起到了較好的效果。

3 11030工作面實際注漿效果

11030工作面上順槽走向長度1 981 m,下順槽走向長度2 024 m,工作面切眼長度161 m,工作面頂板老頂為粉砂巖,厚度為0.87～2.23 m,巖性特征為深灰色?；瘜W(xué)漿料以桶裝形式由地面由運輸設(shè)施運至11030工作面下順槽移動變電站前段,按照11030工作面161 m長度分別以25 m的距離布置注漿泵,且位置與漿液輸送膠管的6個接口相對應(yīng)。A、B兩種漿液分別通過輸送泵、輸送膠管,由輸送泵壓力壓到11030工作面內(nèi)。注漿孔距頂板1.5～2.0 m處開孔,孔口垂直煤壁,仰角25°,鉆孔深度8 m,深入頂板2～2.5 m,采用風(fēng)錨頭每兩架打一個孔,孔徑φ42 mm,封孔器封孔4 m,帶壓注漿。

施工隊根據(jù)工作面實際情況,明確了工作面冒頂?shù)漠a(chǎn)生機理,工作面冒頂?shù)母丛谟诿罕谄瑤?、工作面冒頂破?重在防片幫頂板破碎。對工作面煤壁中上部采取超前加固,注漿孔距頂板2.0～1.5 m開孔,對于煤壁破碎比較嚴重段每兩架間施工鉆孔一個。對于頂板的破碎程度的差異,在注漿壓力、注漿量、注漿時間以及注漿位置等方面都采取不同的注漿方案。方案主要對工作面前方煤壁進行注漿加固,且孔眼布置在煤壁中上部,因注漿料大致有4 m左右的擴散半徑,對工作面頂板也起到了很好的黏結(jié)作用。經(jīng)過現(xiàn)場試驗,日產(chǎn)大大提高,煤壁片幫及頂板掉矸基本得到控制。工作面實際注漿效果明顯,驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和科學(xué)性。

4 結(jié) 論

在11030工作面推進100、200、300 m的情況下,分別模擬了該工作面頂板應(yīng)力、位移、塑性區(qū)在注漿前后的變化情況,結(jié)合工作面實際注漿效果分析,得出以下研究結(jié)果:

(1)在推進100、200、300 m時,煤巖體的注漿效果對頂板應(yīng)力的集中情況影響不大,進而反映出孤島工作面頂板應(yīng)力集中程度比較大,僅靠注漿方式得不到較好的效果,應(yīng)該結(jié)合其它有效的主動性或被動性的支護方式。

(2)煤巖體注漿后對上覆巖層的位移能夠起到很好的控制作用,工作面的塑性區(qū)與注漿前塑性區(qū)有著顯著的變化,上部破壞區(qū)明顯降低,開采條件隨之明顯好轉(zhuǎn)。通過數(shù)值模擬和分析實際注漿效果可知,對煤巖體進行注漿能夠提高煤礦生產(chǎn)的安全性,為煤礦安全開采提供有利條件。