大傾角放頂煤采場圍巖應(yīng)力分布模擬及其特征分析

姜志剛,鄒光華,楊健男,師皓宇

(1.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)部 唐山 063000;2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤層傾角對放頂煤開采中的圍巖應(yīng)力分布有很大影響,受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[1-6]。目前,國內(nèi)學(xué)者對于大傾角煤層在放頂煤開采過程中的圍巖應(yīng)力分布也進(jìn)行了大量研究,如:孫少龍[7]構(gòu)建大傾角工作面沿傾向分段模型,利用FLAC3D數(shù)值分析軟件,模擬工作面不同傾向、推進(jìn)距離下的超前支承壓力分布和塑性區(qū)破壞范圍來研究礦壓顯現(xiàn)特征;伍永平等[8]發(fā)現(xiàn)大傾角偽俯斜采場圍巖存在應(yīng)力拱特性,易形成空間尺度‘上大下小’的非對稱性采場空間,同時(shí)總結(jié)出基本頂應(yīng)力演化形態(tài)變化特征;羅生虎等[9]揭示大傾角煤層采場圍巖應(yīng)力拱殼與傳遞路徑演化的一般規(guī)律,充實(shí)了大傾角煤層巖層控制理論;劉俊[10]使用FLAC3D軟件數(shù)值模擬分析急傾斜特厚煤層水平分段開采采場圍巖應(yīng)力的分布特征,為下部煤體卸壓瓦斯治理提供理論保障。本文以唐山礦0291工作面為研究對象,通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬的方法分析大傾角放頂煤采場圍巖應(yīng)力分布特征,為實(shí)現(xiàn)大傾角工作面安全開采提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

唐山礦0291綜放工作面位于南五采區(qū)8,9煤層,煤層厚度為8.6～11.7m,平均厚度10.5m,采高3.0m,采煤機(jī)截深0.6m,煤層傾角為5～39°,平均傾角24°,工作面標(biāo)高為-772.0～-915.4m,地面標(biāo)高為+7.3～+8.3m;煤層老頂為2.1m厚的淺灰色中砂巖,直接頂為6m厚的粉砂巖,直接底為2.4m厚的泥巖,老底為4.5～8.0m厚的泥巖。綜放工作面選用87組型號為ZF7600/17/34D的四柱支撐掩護(hù)式放頂煤過渡液壓支架以及18組型號為ZFG6800/20/32D的過渡支架,高度為1.7～3.4m,寬度為1.41～1.58m,中心距為1.5m,工作阻力7600kN,支護(hù)強(qiáng)度1.03MPa,初撐力6182kN。

2 采場圍巖應(yīng)力分布特征分析

2.1 塑性區(qū)內(nèi)支承壓力分布計(jì)算

依據(jù)工作面前方上覆巖層結(jié)構(gòu)的極限平衡區(qū)方程

M(σx+dσx)-Mσx-2σyfdx=0

(1)

式中,f為層面間的摩擦系數(shù);M為煤層厚度,m;σx為受力單元水平應(yīng)力,可近似看做最大支承壓力,MPa;σy為受力單元垂直應(yīng)力,可近似看做最小支承壓力,MPa。

又根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,有

(2)

式中,φ為煤體內(nèi)摩擦角;c為煤層內(nèi)聚力,MPa。

結(jié)合公式(1)與公式(2)推導(dǎo)可得,塑性區(qū)內(nèi)支承壓力σy的表達(dá)式為:

(3)

式中,x為塑性區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)到煤壁之距離,m;N0為煤壁上方的頂煤支撐能力。由于存在σx,故:

(4)

式中,τ0為極限抗剪強(qiáng)度,MPa。

因此,放頂煤工作面前方塑性區(qū)內(nèi)的支承壓力σy表達(dá)式為:

(5)

將σy=KγH代入公式(5),則可得塑性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁的距離x0為:

(6)

式中,γ為上覆巖層容重,kN/m3;H為煤層埋深,m;K為應(yīng)力集中系數(shù)。

由公式(6)可知,塑性區(qū)內(nèi)支承壓力與其距煤壁距離呈正指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律,同時(shí)對于放頂煤工作面,若煤層厚度M成倍增大,塑性區(qū)支承壓力距煤壁的距離也會相應(yīng)增大。

依據(jù)唐山礦0291工作面實(shí)際條件結(jié)合塑性區(qū)應(yīng)力分布計(jì)算,將‘F=0.3,M=10.5m,φ=31°、X=10m,τ0=5.1MPa’代入公式(5),得到塑性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)的垂直應(yīng)力約為31.8MPa,之后根據(jù)工作面標(biāo)高為-772.0～-915.4m,地面標(biāo)高為+7.3～+8.3m將γ=26kN/m3、H=794m和K=1.54代入公式(6)可求得其距煤壁距離為X0=9.9m。

將唐山礦0291工作面具體參數(shù)代入公式計(jì)算其應(yīng)力及與煤壁距離。

2.2 彈性區(qū)內(nèi)支承壓力分布計(jì)算

彈性區(qū)支承壓力分布表達(dá)式為:

(7)

式中,x的范圍是從支承壓力峰值點(diǎn)向煤體深處逐漸增大到原巖應(yīng)力區(qū)為止;β為側(cè)系數(shù)。根據(jù)靜水應(yīng)力狀態(tài)下圓孔彈性區(qū)的應(yīng)力分布知:

(8)

將‘σy=γH,x=x0+x1’代入公式(7),則可得彈性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁的距離(x1)為:

(9)

由公式(7)與公式(9)可知,彈性區(qū)內(nèi)支承壓力與其距煤壁距離呈負(fù)指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律。同時(shí)對于放頂煤工作面,若煤層厚度M成倍增大,彈性區(qū)內(nèi)支承壓力距煤壁的距離也會相應(yīng)增大。

依據(jù)唐山礦0291工作面實(shí)際條件結(jié)合彈性區(qū)應(yīng)力分布計(jì)算,根據(jù)γ=26kN/m3和H=794m可得到彈性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)的垂直應(yīng)力約為20.6MPa,之后將β=1.34代入公式(9)可求得其距煤壁距離為X1=10.1m。

將唐山礦0291工作面具體參數(shù)代入公式計(jì)算應(yīng)力分布及其應(yīng)力峰值點(diǎn)位置。

當(dāng)公式(6)與公式(9)比較可知,采場圍巖應(yīng)力分布特征為:塑性區(qū)支承壓力與其距煤壁距離呈正相關(guān),峰值為KγH,彈性區(qū)支承壓力與其距煤壁距離呈負(fù)相關(guān);支承壓力距煤壁距離與開采厚度呈正相關(guān)。

3 大傾角放頂煤采場圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為進(jìn)一步研究大傾角放頂煤開采過程中采場圍巖應(yīng)力分布特征,采用FLAC3D軟件模擬0291工作面回采過程,依據(jù)‘表1塊體力學(xué)參數(shù)’進(jìn)行建模,模型長寬高尺寸為300m×200m×400m,共計(jì)煤巖層25層,其中煤層平均厚度為10.5m,如圖1所示。

圖1 三維模型圖

表1 塊體力學(xué)參數(shù)

利用實(shí)際地質(zhì)賦存條件,使模型計(jì)算更加真實(shí)可靠,建立如下邊界條件:

(1) 上部邊界條件:設(shè)定為煤層上覆巖層的重量σ,即:

σ=γH

(10)

根據(jù)唐山礦0291工作面標(biāo)高為-772.0～-915.4m,地面標(biāo)高為+7.3～+8.3m,上覆巖層的容重γ取26kN/m3,代入公式(10)得:

σ=γH=20.2～23.9MPa

(11)

(2) 下部與兩側(cè)邊界條件:設(shè)定為位移邊界條件,下部為底板,x、y方向運(yùn)動,z方向固定;兩側(cè)為實(shí)體煤巖體,x、y方向固定,z方向運(yùn)動。

計(jì)算模型模擬0291工作面沿走向逐步推進(jìn),每次推進(jìn)10m,共推進(jìn)100m。

3.2 模擬結(jié)果分析

由圖2可知,工作面頂板上方約57m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力明顯降低,部分接近于零,表明該范圍內(nèi)的應(yīng)力基本釋放。工作面前方約34m內(nèi)的垂直應(yīng)力有所增大,其中煤壁前方9m左右為應(yīng)力峰值處,最大峰值為32.6MPa,應(yīng)力集中系數(shù)約為1.8。

圖2 垂直應(yīng)力分布圖

由圖3可知,工作面頂板上方約45m范圍內(nèi)的水平應(yīng)力明顯降低,部分接近于零,該范圍內(nèi)的頂板是裂隙帶的主要區(qū)域。而在采場周邊形成了近似與球體的高水平應(yīng)力殼,該殼位于頂板上方和底板下方86～110m之間,位于煤壁前方5～46m之間,其中煤壁前方10m左右的水平應(yīng)力峰值達(dá)到40.76MPa。

圖3 水平應(yīng)力分布圖

由圖4可知,工作面附近較大剪應(yīng)力主要集中在煤壁頂板上方56m處和底板下方76m處,頂板上方和頂板下方的剪應(yīng)力大小相近、方向相反,最大可達(dá)6.9MPa,較高的剪應(yīng)力有利于頂煤的破壞。

圖4 yz剪應(yīng)力分布圖

由圖5可知,工作面頂板上方約41m范圍內(nèi)的最小主應(yīng)力明顯偏低,部分接近于零,表明該范圍內(nèi)的應(yīng)力基本釋放。其中煤壁前方13m左右為最小主應(yīng)力最大為20.9MPa。

由圖6可知,工作面頂板上方約41m范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力明顯偏低,表明該范圍內(nèi)的應(yīng)力基本釋放。工作面前方約10m內(nèi)的最大主應(yīng)力最大為45.6MPa。根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則可知,最大主應(yīng)力較大的煤巖體與最小主應(yīng)力較小的煤巖體更易發(fā)生剪切破壞。

圖6 最大主應(yīng)力分布圖

由圖7可知,工作面上方的頂煤和頂板均有較大范圍的塑性破壞,頂煤的破壞形式以壓剪破壞為主,超前破壞范圍約為10m;同時(shí)支架上方的頂煤又產(chǎn)生新的剪切破壞,使得頂煤經(jīng)歷多次壓剪破壞,頂煤的破碎程度較高。

通過數(shù)值模擬結(jié)果繪制采場圍巖應(yīng)力分布變化圖,如圖8所示。

通過圖8(a)可以看出,距工作面煤壁前方60m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力變化整體較水平應(yīng)力更低,但均出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)與應(yīng)力降低區(qū),兩者都在工作面煤壁前方約10m達(dá)到峰值并在工作面煤壁前方約30m應(yīng)力降低速率減緩并在之后保持穩(wěn)定;由圖8(b)可知距工作面煤壁前方60m范圍內(nèi)的最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力均出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)與應(yīng)力降低區(qū),兩者都在工作面煤壁前方約10m達(dá)到峰值并在工作面煤壁前方約20m應(yīng)力降低速率減緩并在之后保持穩(wěn)定,但最小主應(yīng)力在應(yīng)力降低后很快便開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài);圖8(c)反映出工作面煤壁上下方剪應(yīng)力大小幾乎相近、方向相反,且都在垂直方向上距工作面60m左右達(dá)到峰值,同時(shí)剪應(yīng)力較大有利于頂煤破壞放出,各應(yīng)力具體峰值點(diǎn)情況見表2。

根據(jù)唐山礦0291工作面實(shí)際地質(zhì)條件情況計(jì)算采場圍巖應(yīng)力分布,得到塑性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)的垂直應(yīng)力約為31.8MPa,其距煤壁距離為9.9m;彈性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)的垂直應(yīng)力約為20.6MPa,其距煤壁距離為10.1m,即垂直應(yīng)力峰值點(diǎn)位于工作面煤壁前方約10m位置處,與數(shù)值模擬結(jié)果相近[11]。

此外,應(yīng)用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測試得到工作面的垂直應(yīng)力在21MPa、最大水平主應(yīng)力在33MPa、最小水平主應(yīng)力在20MPa左右波動,同時(shí)根據(jù)實(shí)測得知工作面支承壓力影響范圍為0～50m 以及工作面頂板上方應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)為40m以上,見表3。對比表2數(shù)據(jù)可知,模擬結(jié)果大致符合實(shí)測數(shù)據(jù)范圍。

表3 地應(yīng)力實(shí)測各應(yīng)力峰值點(diǎn)情況

4 結(jié)論

(1) 大傾角工作面采場圍巖應(yīng)力分布特征表現(xiàn)為塑性區(qū)支承壓力與其距煤壁距離呈正相關(guān),峰值為KγH。同時(shí)根據(jù)唐山礦0291工作面實(shí)際條件進(jìn)行的理論計(jì)算結(jié)果表明0291工作面塑性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)的垂直應(yīng)力約為31.8MPa,彈性區(qū)支承壓力峰值點(diǎn)的垂直應(yīng)力約為20.6MPa,且兩者垂直應(yīng)力峰值點(diǎn)距煤壁距離均為10m左右。

(2) 根據(jù)0291工作面前方彈塑性分布的計(jì)算以及模擬結(jié)果綜合可知,應(yīng)力峰值點(diǎn)位于0291工作面前方10m左右位置處。

(3) 0291工作面上方的頂煤和頂板均有較大范圍的塑性破壞,采空區(qū)上覆巖層破壞范圍約為60m,其中頂煤發(fā)生多次壓剪破壞,進(jìn)而導(dǎo)致頂煤破壞程度較高,粒度較小,具有較好的冒放性。