考慮采空區(qū)壓實(shí)度的端面頂板穩(wěn)定性數(shù)值模擬*

許廣輝,張 楊,李鶴鶴,宋高峰

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100144)

0 引言

煤炭資源是中國(guó)的主要能源之一,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家能源安全和穩(wěn)定供應(yīng)提供重要保障[1]。隨著煤炭的開(kāi)采,將引起圍巖失穩(wěn)、地表沉陷、建筑物及水體破壞等一系列安全災(zāi)害,當(dāng)直接頂較軟弱時(shí),端面冒頂事故頻發(fā)。端面冒頂問(wèn)題屬于工作面常見(jiàn)的圍巖災(zāi)害事故,甚至有可能造成大面積煤壁片幫和液壓支架的嚴(yán)重?fù)p壞,對(duì)煤層安全高效開(kāi)采帶來(lái)巨大困擾。現(xiàn)場(chǎng)通常采用提升液壓支架工作阻力來(lái)提升端面頂板穩(wěn)定性,但在工作面生產(chǎn)的全部過(guò)程中端面冒頂事故仍無(wú)法徹底解決。因此,合理有效地控制端面冒頂?shù)陌l(fā)生,對(duì)安全高效地生產(chǎn)具有重大意義[2-3]。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于端面冒頂開(kāi)展了大量研究。宋高峰等[4]為研究端面冒頂機(jī)理,采用鐵木辛柯梁理論建立力學(xué)模型,開(kāi)展端面冒頂大比例相似模擬試驗(yàn),獲得端面頂板冒落全過(guò)程;李強(qiáng)等[5]根據(jù)煤壁、液壓支架與端面頂板穩(wěn)定性關(guān)系,建立“端面頂板-煤壁-支架”模型,分析出近距離煤層群重復(fù)采動(dòng)下端面冒頂?shù)闹饕绊懸蛩貫橹Ъ芄ぷ髯枇?、端面距、推進(jìn)速度和頂板-圍巖強(qiáng)度,并利用UDEC模擬軟件對(duì)不同影響因素進(jìn)行分析;段宏躍等[6]通過(guò)收集鉆孔地質(zhì)資料和對(duì)煤層頂、底板進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,得出頂、底板力學(xué)參數(shù),明確分析煤層頂板的穩(wěn)定性和巖石類型,對(duì)端面頂板穩(wěn)定性問(wèn)題提出相應(yīng)的建議;石鵬等[7]結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)與物理試驗(yàn)的方法分析端面冒頂?shù)挠绊懸蛩?剖析端面冒頂機(jī)理,并以此為基礎(chǔ)提出相應(yīng)的防治措施與控制端面冒頂技術(shù)手段;宋桂軍等[8]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法研究端面冒頂?shù)挠绊懸蛩?建立端面距、端面冒高及支架工作阻力之間的回歸方程,分析出冒高和片幫與支架工作阻力、端面距及片深之間的線性關(guān)系,以此為基礎(chǔ),對(duì)端面冒頂防控技術(shù)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

在采空區(qū)剛度的研究方面,張勝光等[9]以某石膏礦為例,使用PHASE 2D有限元軟件模擬采空區(qū)坍塌后巖層移動(dòng)和應(yīng)力分布趨勢(shì),分析礦山采空區(qū)坍塌對(duì)井筒、地表下部中段的影響;朱廣安等[10]利用FLAC3D中的FISH語(yǔ)言開(kāi)發(fā)數(shù)值算法并基于采空區(qū)壓實(shí)理論和雙屈服模型,提出垮落帶巖體的壓實(shí)效應(yīng)數(shù)值模擬方法,分析工作面開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;白慶升等[11]基于采空區(qū)壓實(shí)理論,對(duì)采空區(qū)剛度、支承壓力等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正,研究出采空區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,獲得采空區(qū)對(duì)開(kāi)采的真實(shí)響應(yīng),最終驗(yàn)證了采空區(qū)壓實(shí)理論;馮友良[12]基于采空區(qū)壓實(shí)理論,采用理論數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法,分析圍巖應(yīng)力與頂板位移。

采空區(qū)壓實(shí)度對(duì)工作面支承壓力分布及端面頂板穩(wěn)定性具有一定影響,擬采用PHASE 2D有限元軟件,通過(guò)改變采空區(qū)剛度,研究頂板下沉規(guī)律、支承壓力分布特征及端面頂板塑性區(qū)演化。

1 工程概況

數(shù)值模擬以2911綜采工作面位于井田東部,整體北高南低,南鄰2911工作面采空區(qū),北為實(shí)體煤。根據(jù)2911運(yùn)輸順槽、2911軌道順槽和開(kāi)切眼掘井巷道揭煤情況,2911綜采面煤層賦存穩(wěn)定6號(hào)煤層總厚度2.75～6.84 m,平均厚度3.45 m,煤層中不含有夾石。煤層傾角4°～17°,平均10°,采面未發(fā)現(xiàn)落差大于2 m的斷層構(gòu)造。

2 數(shù)值模型建立

運(yùn)用PHASE 2D建立數(shù)值模型,如圖1所示。模型水平方向?yàn)槊簩娱_(kāi)采方向,模型長(zhǎng)度為30 m,高度為20 m,煤層采高為3 m,煤層埋深為214 m,模型左右邊界只施加水平約束,模型底部施加豎直約束,模型上部施加5.5 MPa的垂直壓力,以模擬200 m厚巖層壓力。圖中數(shù)值計(jì)算模型包含20 361個(gè)節(jié)點(diǎn)和40 471個(gè)單元。為研究采空區(qū)壓實(shí)度對(duì)端面頂板及采場(chǎng)支承壓力的影響,分別建立了采空區(qū)彈性模量為250 MPa和600 MPa的2個(gè)數(shù)值模型,記為模型Ⅰ和模型Ⅱ。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model

模型中的各層巖石類型分別為粉砂巖、細(xì)粉砂巖、泥巖、煤層、泥巖、細(xì)粉砂巖、石灰?guī)r。模型采用胡克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則,各個(gè)巖層的煤巖體參數(shù)見(jiàn)表1。其中v為泊松比;σci為完整巖塊單軸抗壓強(qiáng)度;Em為彈性模量,MPa;GSI、mi、mb、s、α等均為巖石材料參數(shù)。

表1 巖層材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 基本頂變形量

工作面割煤前后,不同采空區(qū)剛度下工作面前后方基本頂下沉量變化規(guī)律如圖2所示。其中x=0處為煤壁位置,x>0為工作面實(shí)體煤,x<0為采空區(qū)位置。不難看出,在工作面前方,基本頂下沉量逐漸減小,而在工作面后方,基本頂下沉量逐漸增大。模型Ⅰ開(kāi)采前垂直位移最大值為9.7 mm,開(kāi)采后垂直位移最大值為13.9 mm,而模型Ⅱ開(kāi)采前和開(kāi)采后垂直位移最大值分別減小到6.8 mm和9.1 mm。對(duì)比模型Ⅰ和模型Ⅱ可以看出,增大采空區(qū)剛度后基本頂下沉量減小。另一方面,由于開(kāi)采后端面頂板未及時(shí)支護(hù),基本頂垂直位移與開(kāi)挖前相比有所增大。

圖2 不同采空區(qū)剛度下覆巖垂直位移Fig.2 Vertical displacement of overlying rock under different stiffness of goaf

3.2 直接頂下沉量

工作面割煤前后,不同采空區(qū)剛度下工作面直接頂下沉量變化規(guī)律如圖3所示。其中x=0處為煤壁位置,x>0為工作面實(shí)體煤,x<0為采空區(qū)位置。在工作面前方,由于實(shí)體煤對(duì)頂板的支撐作用,直接頂?shù)南鲁亮枯^小,僅為10 mm以內(nèi)。相比之下,在端面頂板范圍內(nèi)(-1

圖3 不同采空區(qū)剛度下直接頂下沉量Fig.3 Subsidence of direct roof under different stiffness of goaf

3.3 支承壓力分布規(guī)律

工作面割煤前后,不同采空區(qū)剛度下工作面前方支承壓力規(guī)律如圖4所示。從模型Ⅰ和Ⅱ的曲線可知:工作面煤壁后方支承壓力總體呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。在模型Ⅰ中,開(kāi)采前后支承壓力均上升,支承壓力最大值分別為7.3 MPa和7.6 MPa,而在模型Ⅱ中,開(kāi)采前后支承壓力最大值分別為6.8 MPa和7.7 MPa。因此,工作面開(kāi)挖后支承壓力峰值有所增大,煤壁片幫概率也有可能隨之加大。

圖4 工作面支承壓力分布規(guī)律Fig.4 Distribution law of abutment pressure on working face

3.4 采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

工作面割煤前后,不同采空區(qū)剛度下的端面頂板塑性區(qū)演化規(guī)律如圖5所示。不難看出,端面頂板塑性區(qū)一般從支架頂梁前方的頂板開(kāi)始發(fā)育,并向支架上方頂板逐漸延伸至采空區(qū)位置。工作面開(kāi)采后,端面頂板塑性區(qū)顯著增大,如在模型I中,開(kāi)采前頂板塑性區(qū)屈服單元為777個(gè),而開(kāi)采后頂板塑性區(qū)屈服單元達(dá)到1 798個(gè)。此外,采空區(qū)剛度增大后,端面頂板的塑性區(qū)范圍顯著降低,如在開(kāi)采前,模型Ⅰ和模型Ⅱ的端面頂板破壞單元體由777降低為433,降低幅度為44.3%。這是由于采空區(qū)剛度較大,承擔(dān)了更多的覆巖壓力,因此端面頂板所承受的壓力降低,端面頂板的破壞范圍減小,穩(wěn)定性增大。

圖5 不同采空區(qū)剛度下端面頂板塑性區(qū)規(guī)律Fig.5 Plastic zone law of tip-to-face roof under different stiffness of goaf

4 結(jié)論

(1)采空區(qū)剛度越大,采場(chǎng)圍巖變形越小,當(dāng)采空區(qū)剛度由250 MPa增大為600 MPa時(shí),直接頂下沉量最大值由109 mm降低為74 mm。

(2)工作面開(kāi)采前,2個(gè)模型的支承壓力峰值分別為7.3 MPa和6.8 MPa,提高采空區(qū)剛度有利于降低工作面前方支承壓力。

(3)工作面開(kāi)采前,模型Ⅰ與模型Ⅱ的直接頂塑性區(qū)破壞單元體分別為777和433,增大采空區(qū)剛度,頂板塑性區(qū)降低了44.3%,有利于提高端面頂板穩(wěn)定性。