急傾斜特厚煤層開采煤巖應(yīng)力場-位移場演化規(guī)律數(shù)值模擬

朱帛繁,王正義,李心涵,趙棪,朱永恒,邱翊

(常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,江蘇 常州 213032)

急傾斜煤層廣泛分布于甘肅、新疆、寧夏等煤炭生產(chǎn)基地,其煤層儲(chǔ)量占國內(nèi)煤炭總儲(chǔ)量的15%～20%[1].我國急斜煤層分布廣泛,地質(zhì)條件大多比較復(fù)雜[2].近年來,在急傾斜特厚煤層開采過程中已出現(xiàn)多起不同破壞程度的沖擊地壓顯現(xiàn),對(duì)急傾斜特厚煤層安全開采和井下作業(yè)人員生命安全造成較大威脅[3].

急傾斜特厚煤層由于特殊的賦存條件和采煤方法,導(dǎo)致其覆巖破斷運(yùn)移和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與一般煤層顯著不同,相關(guān)的礦壓防治對(duì)策也不相同.王家臣等[4]揭示了急傾斜煤層水平分段開采頂板“傾倒-滑塌”破壞模式,提出頂板巖塊“破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)”的判別準(zhǔn)則;石平五、張幼振[5]構(gòu)建急傾斜特厚煤層跨層拱結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,深入分析了跨層拱結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及對(duì)工作面礦壓的影響;藍(lán)航[6]指出近直立特厚兩煤層分段同采下的沖擊力源來自兩側(cè)采空巖柱對(duì)煤體產(chǎn)生的“撬桿效應(yīng)”.急傾斜特厚煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究已成為煤礦安全開采研究的熱點(diǎn)[7].

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)特定礦井賦存和開采條件下的覆巖運(yùn)移或?qū)娱g巖柱失穩(wěn)誘發(fā)應(yīng)力集中區(qū)動(dòng)力顯現(xiàn)進(jìn)行了研究,但對(duì)急傾斜特厚煤層工作面采動(dòng)應(yīng)力非對(duì)稱分布特征、煤巖變形時(shí)空演化規(guī)律還未深入涉及.因此,亟待構(gòu)建數(shù)值模擬模型研究急傾斜特厚煤層開采煤巖應(yīng)力場-位移場演化規(guī)律,揭示該類礦壓顯現(xiàn)特征,對(duì)類似條件下的礦壓防治具有指導(dǎo)作用.

1 數(shù)值模型建立

窯街三礦五采區(qū)的主采煤層為煤二層.基于五采區(qū)5521工作面地質(zhì)和開采條件,采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型,如圖1所示.模型尺寸為800 m(長)×870 m(寬)×700 m(高),煤層傾角50°;煤層工作面采用水平分段開采方法,工作面推進(jìn)長度400 m.

1—煤層;2—頂板;3—底板.圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型

采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則作為煤巖體的破壞判據(jù)[8],如式(1)所示.

(1)

式中:fs為煤巖破壞評(píng)價(jià)指標(biāo);σ1,σ3分別為最大、最小主應(yīng)力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°);C為黏聚力,MPa.

當(dāng)fs>0時(shí),表示煤巖體已發(fā)生剪切破壞;當(dāng)fs<0時(shí),表示煤巖體未發(fā)生剪切破壞;當(dāng)fs=0時(shí),表示煤巖體處于極限平衡狀態(tài).

模型頂面按實(shí)際地表水平設(shè)置,不再施加補(bǔ)償載荷;模型側(cè)面和底面均為固定邊界.重力加速度取9.8 m/s2,側(cè)壓系數(shù)為1.2.基于五采區(qū)527鉆孔柱狀,并通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),測定煤巖物理力學(xué)參數(shù),如表1所示.

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

以15 m為一個(gè)分段工作面開挖高度,沿煤層傾向共開挖6個(gè)分段工作面,分析急傾斜特厚煤層沿煤層傾向的應(yīng)力場-位移場演化規(guī)律;此外,每個(gè)分段工作面推進(jìn)過程中,以50 m為開挖步距,分析急傾斜特厚煤層沿煤層走向的應(yīng)力場-位移場演化規(guī)律.

2 首采工作面的應(yīng)力場-位移場演化規(guī)律

2.1 首采工作面回采50 m處

首采工作面的埋深為250 m,其原巖自重應(yīng)力為6.25 MPa.首采工作面回采50 m處的傾向剖面應(yīng)力場-位移場分布如圖2所示.由圖2a可知,工作面開挖使得上方煤體和底煤應(yīng)力釋放,而高應(yīng)力向頂板和底板轉(zhuǎn)移;頂板側(cè)和底板側(cè)煤巖受力呈現(xiàn)非對(duì)稱性,即頂板側(cè)的應(yīng)力高于底板側(cè),其原因是頂板側(cè)處于外錯(cuò)應(yīng)力集中區(qū),而底板側(cè)處于上方采空卸壓區(qū).因此,工作面頂板側(cè)煤巖是急傾斜特厚煤層開采礦壓防治的重點(diǎn)區(qū)域[9].由圖2b和圖2c可知,首采工作面的圍巖變形以底煤底鼓為主,呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小的“單峰”分布;上方煤體下沉次之,頂板彎曲下沉和底板隆起最小.這表明底煤底鼓也是急傾斜特厚煤層開采礦壓防治的重點(diǎn),底煤底鼓最大位置位于工作面中部,需要防范中部區(qū)域的工作面支架發(fā)生破損.

圖2 工作面回采50 m處的傾向剖面應(yīng)力場-位移場分布

2.2 首采工作面推進(jìn)過程

首采工作面每50 m開挖一次,獲得首采工作面推進(jìn)過程的走向剖面應(yīng)力演化規(guī)律,如圖3所示.由圖3可知,隨著工作面不斷向前推進(jìn),工作面超前支承壓力隨之前移,上覆巖層的豎向應(yīng)力逐步降低且應(yīng)力降低區(qū)域逐步增大.這表明頂板的破裂范圍不斷向上貫通擴(kuò)大,類似于近水平煤層工作面開采過程的應(yīng)力演化規(guī)律.

圖3 首采工作面推進(jìn)過程的走向剖面應(yīng)力演化

首采工作面推進(jìn)過程的走向剖面位移演化規(guī)律,如圖4所示.由圖4可知,隨著工作面的推進(jìn),上覆巖層不斷下沉,而工作面下部底煤不斷底鼓,且開挖空間越大,煤巖位移量也越大.首采工作面從回采100 m起至回采400 m結(jié)束,底煤的底鼓量變化較覆巖的下沉量更為顯著,表明首分段工作面底煤受采動(dòng)應(yīng)力影響較大.

圖4 首采工作面推進(jìn)過程的走向剖面位移演化

3 多分段開采過程的應(yīng)力場-位移場演化規(guī)律

3.1 第2分段工作面回采期間

首分段工作面回采結(jié)束后,接替回采第2分段工作面.同樣以回采50 m處為例,獲得第2分段工作面傾向剖面應(yīng)力場-位移場分布,如圖5所示.由圖5a可知,第2分段開挖下的圍巖應(yīng)力分布特征與首分段開挖下的類似,但頂板側(cè)煤體的集中應(yīng)力由7.4 MPa升高至9.2 MPa,應(yīng)力集中更為顯著.由圖5b和圖5c可知,第2分段工作面的圍巖變形同樣以底煤底鼓和上方煤體下沉為主,但頂板彎曲下沉量有所增大,表明直接頂已發(fā)生初次破斷.

圖5 第2分段工作面傾向剖面應(yīng)力場-位移場分布

3.2 第3、第4分段工作面回采期間

繼續(xù)開挖第3、第4分段工作面,同樣以回采50 m處為例,獲得第3、第4分段工作面傾向剖面應(yīng)力場-位移場分布,如圖6所示.由圖6a和圖6d可知,隨著傾向開挖空間的增大,工作面頂板側(cè)煤巖的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大,第3分段達(dá)到10.2 MPa,第4分段達(dá)到11.3 MPa,頂?shù)装鍍蓚?cè)煤巖的非對(duì)稱性進(jìn)一步加劇.頂板側(cè)煤巖較高的應(yīng)力集中容易使上覆巖層積聚大量的彈性應(yīng)變能,一旦發(fā)生破斷將對(duì)工作面產(chǎn)生較強(qiáng)的動(dòng)載擾動(dòng)[10].由圖6b和圖6c可知,第3分段工作面的圍巖變形同樣以底煤底鼓為主,但此時(shí)頂板的彎曲下沉量已經(jīng)接近上方煤體的下沉量,且明顯大于第2分段開采時(shí)的位移量,表明老頂發(fā)生了初次破斷.由圖6e和圖6f可知,第4分段工作面的圍巖變形同樣以底煤底鼓為主,此時(shí)頂板的彎曲下沉量進(jìn)一步增大,覆巖破裂范圍進(jìn)一步向上方亞關(guān)鍵層巖層延伸,不斷擴(kuò)大.

圖6 第3、第4分段工作面傾向剖面應(yīng)力場-位移場演化

3.3 第5、第6分段工作面回采期間

繼續(xù)開挖第5、第6分段工作面,同樣以回采50 m處為例,獲得第5、第6分段工作面傾向剖面應(yīng)力場-位移場分布,如圖7所示.由圖7a和圖7d可知,隨著傾向開挖空間的增大,工作面頂板側(cè)煤巖的應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大,第5分段達(dá)到12.4 MPa,第6分段達(dá)到14.8 MPa.顯然,隨著分段開挖次數(shù)的增加,一方面采深隨之增大,原巖應(yīng)力也相應(yīng)增大;另一方面,頂?shù)装鍘r層的活動(dòng)空間也隨之增大,工作面煤巖所受的采動(dòng)影響也相應(yīng)增大.由圖7b和圖7c可知,第5分段工作面的圍巖變形特征與之前的完全不同,此時(shí)頂板彎曲下沉量稍大于底煤底鼓變形量,表明開挖至第5分段工作面時(shí),頂板下沉進(jìn)一步增大,老頂發(fā)生了周期破斷,且上方亞關(guān)鍵層也有一定的彎曲變形.現(xiàn)場監(jiān)測表明[11],在急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采過程中,一般每開采2～3個(gè)分段老頂垮落一次,呈現(xiàn)周期性垮落特征.因此,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意頂板巖層隨開采分段的增加而產(chǎn)生的周期性垮落,及時(shí)采取針對(duì)性的卸壓解危措施.

圖7 第5、第6分段工作面傾向剖面應(yīng)力場-位移場演化

由圖7e和圖7f可知,第6分段工作面的圍巖變形特征又與第5分段工作面的顯著不同,頂板彎曲下沉量遠(yuǎn)大于底煤底鼓變形量,煤巖變形由最初的以底煤向采空區(qū)方向運(yùn)移為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂敯鍘r層向采空區(qū)運(yùn)移為主,此時(shí)上方亞關(guān)鍵層已發(fā)生初次破斷.由此可以推測,在礦井實(shí)際開采過程中,當(dāng)開采分段數(shù)量足夠多,即開采空間足夠大時(shí),上覆巖層的破裂范圍將逐步向上方巖層發(fā)展,直至貫通地表,引起地表的臺(tái)階沉陷[12].

4 急傾斜特厚煤層開采礦壓防治建議

基于上述數(shù)值模擬分析結(jié)果,可從如下2個(gè)方面提出急傾斜特厚煤層開采礦壓防治建議.

1)頂板預(yù)處理

縮短頂板巖層懸露長度可大幅度降低巖梁所集聚的彈性變形能[13-14].據(jù)此,可以對(duì)急傾斜特厚煤層開采頂板巖層采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù),即在每一分段頂板巷按一定間距向頂板鉆孔進(jìn)行爆破,人為地切斷老頂及其他亞關(guān)鍵層,從而切斷采空區(qū)與待采區(qū)之間頂板的連續(xù)性,減小頂板的來壓步距,使頂板提前破斷,降低頂板的來壓強(qiáng)度.此外,頂板爆破后其破碎程度更高,可以使采空區(qū)的充填程度更高,形成可以緩和沖擊的墊層.

2)煤巖體弱化

針對(duì)工作面煤體,尤其是底煤,可采用爆破卸壓、大直徑鉆孔卸壓等措施進(jìn)行強(qiáng)度弱化[15].急傾斜特厚煤層頂板側(cè)煤巖應(yīng)力集中顯著,因此選取頂板巷作為煤巖體弱化實(shí)施的場所,在工作面超前150 m區(qū)域?qū)嵤┮陨先趸胧?其中,爆破卸壓鉆孔孔徑一般為42 mm,通過爆破釋放煤巖體中的彈性能,使高集中應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移;大直徑卸壓鉆孔孔徑一般大于100 mm,通過鉆孔給煤體破裂提供空間,擴(kuò)大煤體破壞范圍,起到弱化煤巖的作用.

5 結(jié)論

1)急傾斜特厚煤層開采煤巖應(yīng)力場呈現(xiàn)非對(duì)稱分布,頂板側(cè)煤巖處于外錯(cuò)應(yīng)力集中區(qū),底板側(cè)煤巖處于上方采空卸壓區(qū),頂板側(cè)煤巖是防治的重點(diǎn)區(qū)域.隨著開采深度的增大,頂板側(cè)煤巖的應(yīng)力集中程度相應(yīng)增大,礦壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)性也增大.

2)急傾斜特厚煤層工作面煤體變形以底煤底鼓為主,呈現(xiàn)中間大兩側(cè)小的“單峰”分布.煤巖位移場演化受開采深度影響顯著,當(dāng)淺部開采時(shí),工作面煤體變形以底煤底鼓為主,隨著開采深度的增大,上覆巖層依次破斷導(dǎo)致頂板下沉量逐步增大.第3分段開采時(shí)老頂初次破斷,第5分段開采時(shí)老頂周期破斷,第6分段開采時(shí)亞關(guān)鍵層初次破斷.

3)頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可以人為切斷采空區(qū)與待采區(qū)之間頂板的連續(xù)性,減小頂板懸露面積,降低頂板來壓強(qiáng)度.爆破卸壓和大直徑鉆孔卸壓可實(shí)現(xiàn)煤巖體強(qiáng)度弱化,降低礦壓顯現(xiàn)的危險(xiǎn)性.