呂兆海,李立波

(1.神華寧夏煤業(yè)集團清水營煤礦, 寧廈銀川 750001;2.西安科技大學能源學院, 陜西西安710054;3.教育部西部礦山開采及災害控制重點實驗室, 陜西西安 710054)

大傾角大采高工作面采場運動規(guī)律研究

呂兆海1,李立波2,3

(1.神華寧夏煤業(yè)集團清水營煤礦, 寧廈銀川 750001;2.西安科技大學能源學院, 陜西西安710054;3.教育部西部礦山開采及災害控制重點實驗室, 陜西西安 710054)

大采高開采是我國中、厚煤層開采工藝發(fā)展的主要方向。以復雜埋藏條件下的清水營煤礦大采高工作面為工程背景,利用FLAC3D進行工作面開采過程圍巖運移規(guī)律模擬,分析了垂直應(yīng)力、頂板下沉和塑性破壞演化特征,模擬分析結(jié)果與工程現(xiàn)場頂板下沉量、應(yīng)力監(jiān)測相符,因此,模擬結(jié)果可以作為現(xiàn)場參量變化的參照,對工作面采場管理具有一定的參考意義。

大采高工作面;采場管理;數(shù)值模擬;塑性破壞

大采高開采是我國中、厚煤層開采工藝發(fā)展的主要方向[1]。采高大于3.5m的工作面與采高小于3.5m的綜采工作面相比,老頂來壓強度提高了約5.2%,周期來壓步距增大了約4.6%[2,3]。采高的增加,勢必加大巷道的高度和寬度,加之工作面開采過程中劇烈的來壓影響,對不穩(wěn)定、易冒落頂板的工作面,頂板管理難度加大。隨著大采高開采工藝的發(fā)展,各方面的理論研究都有了長足進步[4,5],對寧東礦區(qū)開采特征也有相應(yīng)的研究[6,7]。

以復雜埋藏條件下清水營煤礦為例,通過FLAC3D數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場開采實踐,研究了大采高工作面開采過程中應(yīng)力、位移、塑性區(qū)演化特征,為開采設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

清水營煤礦是神華寧夏煤業(yè)集團的重點建設(shè)煤礦之一,礦井設(shè)計生產(chǎn)能力10.0Mt/a,主采煤層為二煤,煤層傾角20°～27°,平均23°,開采深度138～338m。

110202工作面是清水營煤礦首個大采高工作面,工作面走向長1200m,斜長290m,工作面煤層平均厚度5.12m,設(shè)計采高4.2m。110202工作面所采2#煤層為“三軟”煤層,頂板為泥質(zhì)砂巖含水層,巖石松軟易風化,在工作面推進過程中,頂板易碎,裂隙加大,屬易冒落頂板,該巖層滲透性強,導水性好,是富水性強的主要含水層。底板為泥質(zhì)砂巖,遇水易膨脹,且工作面支架自重較大,容易出現(xiàn)支架鉆底、歪架、倒架等現(xiàn)象。

2 FLAC3D數(shù)值模型的建立

2.1 力學模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美國Itasca公司開發(fā)的三維有限差分程序,能較好地模擬煤巖介質(zhì)在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學行為,進行三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。根據(jù)清水營煤礦地質(zhì)資料和巖石力學實驗結(jié)果,得出煤層及主要巖層力學參數(shù),見表1。

表1 煤巖力學參數(shù)

2.2 數(shù)值模型

計算力學模型見圖1,模型尺寸寬×厚×高為400m×150m×250m,工作面沿y軸正方向(走向)推進,采用Mohr - Coulomb plasticity model本構(gòu)模型。模型底部限制垂直移動,上部施加上部巖層等效載荷,模型前后和側(cè)面限制水平移動,整個模型由31500個單元組成,包括34768個節(jié)點。三維數(shù)值計算模型見圖2。為減少模擬過程中的邊界影響,模型左右兩端開挖時各留設(shè)50m保護煤柱。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 垂直應(yīng)力-位移演化特征

工作面推進過程中,頂板(煤)巖體在開采擾動和自重的共同影響下發(fā)生周期性斷裂、下沉,引起上覆巖層的重新排列,大大降低其承載能力,頂板垂直應(yīng)力與下沉的分析研究對工作面采場管理有重要的意義。

圖1 計算力學模型

圖2 三維數(shù)值模計算模型

圖3體現(xiàn)了工作面開采過程中,頂板垂直應(yīng)力δzz的演化特征,由圖可知,工作面頂部主要承受壓應(yīng)力,小部分區(qū)域也承受拉應(yīng)力,隨工作面推進,對上部巖層的影響明顯增強,呈不規(guī)則對稱的馬鞍形向上方逐漸擴展,工作面推進30m時影響范圍已達到粗砂頂?shù)?/4處,即老頂5m左右范圍。

圖4為工作面推進5,10,20,30m時的位移矢量變化。工作面頂板下沉方向以豎向為主,部分區(qū)域與工作面頂板垂直;開采初期,圍巖受擾動影響較小,頂板下沉量不大,僅在5cm左右,主要集中在工作面中下部,當工作面推進距離繼續(xù)加大時,最大下沉量達到13.0cm,位于工作面中部,沿傾向基本呈對稱分布,在上、下端頭下沉量相對最小,但也基本維持在6～8cm左右,頂板下沉變化趨勢見圖5。

開挖結(jié)束后沿工作面傾向(即模型沿x方向50～350m處)每隔10m取點,提取各點應(yīng)力、位移數(shù)據(jù),得到圖5所示的曲線。由圖5(a)可以看出,隨工作面推進距離加大,頂板承受應(yīng)力隨之增加;整個工作面傾向120～150m處承受的應(yīng)力逐漸達到峰值,180m處應(yīng)力趨于平衡;工作面推進5,10,20,30 m時的最大值分別為7.00,8.68,10.93,15.31 MPa,在工作面下端頭有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn),集中應(yīng)力基本維持在5.00,8.00,8.50,14.00MPa,因此開采過程中應(yīng)加強工作面120～180m處及下端頭的支護。從圖5(b)可以看出,當工作面推進達到25 m時,頂板下沉量劇增,由10m的0.5cm增大到70 m的7.5cm以上;工作面傾向120m左右達到最大下沉量,分別為8.8,11.9和13.0cm;下沉量相對較大的階段在工作面傾向80～150m范圍內(nèi);工作面230m處下沉量處于底谷后反彈,并在250m左右范圍再次出現(xiàn)峰值,受開采擾動較小,但由于下端頭存在較大的集中應(yīng)力,且機運巷的存在,使該區(qū)段受到較大的影響。

3.2 塑性破壞演化特征

煤巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)必然受工作面推進的擾動影響,使其整體性能發(fā)生破壞,從而弱化了圍巖的承載能力,當煤巖出現(xiàn)塑性變形時,其承載能力將大大削弱,導致頂板出現(xiàn)冒(垮)落。

圖3 工作面垂直應(yīng)力δzz演化

工作面推進過程中的塑性演化特征如圖6所示,上覆巖層塑性區(qū)演化與垂直應(yīng)力變化協(xié)調(diào)發(fā)展,工作面下端頭先于上端頭發(fā)生塑性破壞;在工作面5～30m的開采過程中,工作面上部圍巖主要以拉破壞為主;推進5m時,開采擾動對頂板的影響相對較小,因而塑性變形也相應(yīng)較小,而當工作面推進超過10m時,頂部圍巖受開采影響較大,已出現(xiàn)大面積的塑性變形區(qū)域,且貫穿整個工作面上方,此時塑性變形主要集中在整個直接頂以及老頂下部,當工作面推進30m時,工作面上部破壞范圍已延伸至老頂中部,整體呈非對稱的馬鞍形分布。

4 現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

在工作面布置多點位移計,連續(xù)觀測開采過程中頂板下沉情況,同時利用單體支柱觀測切眼所受應(yīng)力狀況,如圖7所示。

圖4 工作面位移演化

圖5 模型垂直應(yīng)力-位移變化曲線

圖6 工作面塑性演化

圖7 現(xiàn)場垂直應(yīng)力、頂板下沉量監(jiān)測

切眼開挖后,每隔3d觀測一次工作面頂板的應(yīng)力和下沉量變化情況。由圖7看出,隨著時間推移,工作面應(yīng)力、下沉量急劇增大;1#、2#和3#單體支柱的最大值分別達到9.9,12.3,13MPa,平均值分別為9.38,4.49,6.54MPa。頂板下沉量分別達到最大值137,145,160mm,頂板鋼梁被壓彎,架設(shè)的木垛也被壓壞。

模擬結(jié)果基本與現(xiàn)場實際情況相吻合,所反映出的規(guī)律與現(xiàn)場開采過程中的規(guī)律一致,可以作為清水營煤礦大采高開采工作面運移規(guī)律的研究依據(jù)。

5 結(jié) 論

以清水營煤礦大采高工作面為例,通過FLAC3D數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測,對工作面推進過程中頂板的運移規(guī)律進行了研究,得出以下結(jié)論:

(1)開采對頂板影響以壓應(yīng)力為主,以工作面傾斜方向的中線為軸,應(yīng)力分布呈現(xiàn)非對稱馬鞍形態(tài),推進距離增加,垂直應(yīng)力δzz、頂板下沉量以及塑性破壞區(qū)域相應(yīng)增加;

(2)工作面高應(yīng)力區(qū)域集中于傾斜方向120～180m處,最大壓應(yīng)力達到14MPa,應(yīng)加強此區(qū)段的支護,工作面上、下端頭有應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此工作面推進過程中應(yīng)加強對兩個端頭的支護強度,特別是加強機巷的支護;

(3)工作面傾向下沉量較大區(qū)域在80～150m范圍內(nèi),最大值維持在13～16cm之間,工作面傾向230～250m范圍內(nèi)下沉量有跳躍現(xiàn)象,頂板可能發(fā)生垮落,開采擾動對頂板影響達到老頂5m范圍內(nèi),即工作面上方7.5～9.8m處,因此在頂板支護時,錨索長度至少為8m,在破壞嚴重的區(qū)域可適當加長。

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2009-12-22)

呂兆海(1980-),男,寧夏寧東人,碩士,工程師,主要從事采礦工程和采空區(qū)衍生災害預報研究,Email:lvzhaohai1001@yahoo.cn。