施先盛
(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦,山西 古交 030205)
煤層采出后,采空區(qū)周圍原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,從而引起巖層的變形、破壞和移動(dòng)。開采過程中,受采動(dòng)應(yīng)力場影響的煤層上覆巖體,稱為采動(dòng)覆巖[1],采動(dòng)覆巖的移動(dòng)破壞規(guī)律的研究是礦業(yè)工程領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方面[2].文獻(xiàn)[3~7]對(duì)煤層開采后的覆巖移動(dòng)、破壞及裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了研究,取得了一些成果。
本文基于山西某煤礦15#煤層實(shí)際工程地質(zhì)條件,運(yùn)用通用離散元軟件(UDEC)進(jìn)行數(shù)值分析,模擬大采高工作面上覆巖層斷裂移動(dòng)以及采動(dòng)裂隙發(fā)育演化過程,分析研究15#煤層上覆巖層斷裂、移動(dòng)變形規(guī)律、采動(dòng)裂隙分布特征等現(xiàn)象。
該礦150403工作面為大采高綜放工作面,工作面斜長170m,其所采15#煤層平均厚度為4.81m,最大厚度為5.7m,煤層質(zhì)地均一,煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單。煤層傾角為2°~15°,平均傾角8.5°.煤層直接頂為泥巖,厚度為1.3m,上方為細(xì)砂巖,厚度為3.39m,直接底為厚4.38m的泥巖。
本次模擬采用UDEC進(jìn)行模擬計(jì)算,以該礦主采煤層15#煤賦的地質(zhì)條件為依據(jù),由于不同的模擬邊界會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生不同的影響[8],因此,模型走向長度為300m,兩邊各留60m煤柱,垂直方向?yàn)?08 m,采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則,上邊界載荷按采深270m計(jì)算,固定下邊界,即y方向速度為0,固定左右邊界,x方向速度為0.建立的數(shù)值模擬力學(xué)圖型見圖1,各巖層塊體的力學(xué)參數(shù)和各巖層接觸面的力學(xué)參數(shù)見表1,表2.
圖1 數(shù)值模擬力學(xué)圖型
表1 模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)表
表2 模型中各巖層接觸面力學(xué)參數(shù)表
從開切眼開始,隨著工作面的不斷推進(jìn),直接頂懸露面積越來越大,直接頂?shù)目迓溥^程見圖2,當(dāng)工作面推進(jìn)到16m時(shí)直接頂由于重力作用產(chǎn)生彎矩,使巖層彎曲下沉,直接頂?shù)谝环謱优c第二分層開始出現(xiàn)離層;推進(jìn)到20m時(shí)直接頂開始呈“拱”形冒落,直接頂?shù)诙謱优c第三分層出現(xiàn)離層;推進(jìn)到26m時(shí)直接頂?shù)谝?、第二分層全部垮落,冒落矸石充填采空區(qū),冒落高度為4~6m,最大自由空間達(dá)到2m;工作面推進(jìn)到30m時(shí)直接頂全部垮落,采空區(qū)被直接頂冒落的巖石所充填,冒落高度6~8m.
圖2 直接頂垮落過程示意圖
直接頂全部垮落后,隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),基本頂開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象,工作面推進(jìn)至26m時(shí),基本頂?shù)谝弧⒌诙謱娱_始出現(xiàn)離層現(xiàn)象,工作面推進(jìn)到30m時(shí),基本頂?shù)谝弧⒌诙謱佑捎谏细草d荷及自身重力的作用從中間斷裂,斷落后的巖石相互鉸接;工作面推進(jìn)到40m時(shí),基本頂?shù)诙謱优c第三分層離層,第一分層已全部垮落;推進(jìn)到50m時(shí),基本頂三分層全部垮落,上覆巖層隨著全部垮落,工作面初次來壓,來壓步距50m左右?;卷斂迓溥^程見圖3.
圖3 基本頂垮落過程示意圖
模擬過程中,在上覆巖層中沿走向方向布置6條測線,隨著工作面的不斷推進(jìn),上覆巖層分組或分層發(fā)生移動(dòng)下沉,布置在巖層中的測點(diǎn)也隨之移動(dòng)。選取距離切眼10m,位于同一垂直線上不同高度的1號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、16號(hào)測點(diǎn)的位移變化來分析不同位置的巖層移動(dòng)下沉規(guī)律。各測點(diǎn)的累計(jì)下沉量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系見圖4.
1號(hào)測點(diǎn)位于直接頂下部,工作面推進(jìn)到測點(diǎn)下方,1測點(diǎn)開始緩慢的下沉,推進(jìn)至23m時(shí),直接頂?shù)谝环謱娱_始離層,下沉高度達(dá)到1.1m;推進(jìn)至26 m時(shí)4號(hào)測點(diǎn)出現(xiàn)離層現(xiàn)象,1號(hào)測點(diǎn)下沉高度為4.1m;工作面推進(jìn)至30m,直接頂全部垮落。9號(hào)測點(diǎn)位于基本頂上部,工作面推進(jìn)至32m時(shí),9號(hào)測點(diǎn)開始出現(xiàn)下沉現(xiàn)象,下沉量較??;當(dāng)工作面推進(jìn)至45 m時(shí),9號(hào)測點(diǎn)的下沉量劇烈增加,表明直接頂完全斷裂,1號(hào)、4號(hào)測點(diǎn)的下沉量緩慢增加,但趨于穩(wěn)定,高度在4.7m左右。16號(hào)測點(diǎn)位于基本頂上部,距離煤層53m,工作面推進(jìn)至48m時(shí),下沉量為0.3 m,工作面初次來壓之后,其下沉量隨著工作面的推進(jìn)急劇增加;工作面推進(jìn)為60m時(shí),下沉量為2.3 m,推進(jìn)到85m,下沉量達(dá)3.5m,隨后直到模擬結(jié)束,其下沉高度變化很小,基本維持在3.5m.
圖4 頂板累計(jì)下沉量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖
通過上述分析可知,直接頂在工作面推進(jìn)后,有與基本頂出現(xiàn)離層的趨勢,并隨著工作面的不斷推進(jìn),自行的發(fā)生冒落?;卷斢捎趶?qiáng)度較大,一般在工作面推進(jìn)過后,開始出現(xiàn)緩慢下沉,直到強(qiáng)度不足以支撐上覆巖層壓力時(shí)發(fā)生斷裂,這時(shí)老頂開始來壓。直接頂上的巖層基本是隨著基本頂?shù)拿奥涠l(fā)生冒落,變形與基本頂一致,但距離較遠(yuǎn)的上覆巖層卻出現(xiàn)冒落滯后的現(xiàn)象。
由多次模擬試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)[9-10],采動(dòng)裂隙高度與工作面開采時(shí)的初次來壓步距和周期來壓步距有密切關(guān)系。工作面從開切眼,到不斷推進(jìn)的過程,頂板裂隙不斷地發(fā)育,工作面推進(jìn)20m、26m、30m時(shí)頂板垮落情況見圖2,工作面推進(jìn)40m,50m時(shí)上覆巖層破斷和運(yùn)動(dòng)情況見圖3,工作面推進(jìn)70m、110 m、140m、170m時(shí)的覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)見圖5.從工作面推進(jìn)不同距離的覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可以得知,工作面推進(jìn)30m時(shí),冒落帶高度在12m左右,裂隙帶高度約15m,裂隙主要以水平裂隙為主,垂直裂隙主要發(fā)育在冒落帶內(nèi)。工作面推進(jìn)到50m時(shí),冒落帶高度約15m,裂隙帶高度有所增加,高度在25m左右,裂隙帶內(nèi)主要還是以水平裂隙為主。工作面推進(jìn)至80m時(shí),冒落帶高度約18m,裂隙帶高度在32m左右。工作面推進(jìn)到140m、170m時(shí),冒落帶高度穩(wěn)定在20m左右,裂隙帶高度約為30m.
圖5 不同推進(jìn)距離覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖
在該礦150403工作面進(jìn)行了鉆孔瓦斯抽采試驗(yàn),在工作面回風(fēng)巷沿走向方向每隔50m布置一個(gè)瓦斯抽采鉆場,共布置8個(gè)鉆場,每個(gè)鉆場沿走向順著采空區(qū)方向布置4~6個(gè)抽采鉆孔。抽采鉆孔盡量布置在采空區(qū)裂隙帶里面,鉆場及鉆孔布置見圖6.鉆孔施工及封孔完畢后,將抽采管連接至高負(fù)壓抽采系統(tǒng)中,抽采負(fù)壓在23.2~32kPa.為考察鉆孔抽采效果,鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)采用較大的傾角,便于確定抽采最為有效的鉆孔終孔的空間位置。高位抽采鉆孔距離煤層頂板6~14m 時(shí),抽采量較大,抽采濃度在10%~16%,純瓦斯抽采量在2.1~3m3/min;高位抽采鉆孔距離煤層頂板14~22m時(shí),抽采量較鉆孔高度在6~14m時(shí)有所降低,瓦斯抽采濃度有所提高,濃度在30%~45%,純瓦斯抽采量在4~5m3/min;高位抽采鉆孔距離煤層頂板26~30m時(shí),瓦斯抽采濃度在60%~80%,純瓦斯抽采量在6.3m3/min左右;高位抽采鉆孔距離煤層頂板32~42m時(shí),瓦斯抽采濃度約80%,純瓦斯抽采量急劇降低,從6m3/min降到2 m3/min.實(shí)測鉆孔純瓦斯抽采量與鉆孔至頂板距離見圖7.據(jù)此判斷采空區(qū)上覆巖層中頂板裂隙發(fā)育最為豐富的高度約為30m,為沿走向采空區(qū)方向抽采鉆孔的最佳層位,這與前面數(shù)值模擬結(jié)果一致。
通過高位抽采鉆孔,并把終孔高度位置布置在離煤層頂板30m位置,瓦斯抽采率達(dá)48%,有效地解決了工作面上隅角瓦斯超限的問題,為礦井的安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。
圖6 鉆孔布置示意圖
圖7 高位鉆場鉆孔抽放純量示意圖
1)根據(jù)模擬結(jié)果,隨著工作面不斷推進(jìn),直接頂各分層先離層,后垮落,由于采高的增加,直接頂垮落的矸石并不能完全的充填采空區(qū),導(dǎo)致直接頂向上延伸,厚度增加。
2)采空區(qū)上覆巖層的下沉具有滯后性,基本頂下沉明顯滯后于直接頂,基本頂上的巖層基本隨著基本頂下沉而下沉,卻也有明顯的滯后性。
3)通過對(duì)該煤礦15#煤層的上覆巖層的斷裂移動(dòng)及裂隙演化的模擬研究,綜合判斷得出,15#煤層的冒落帶,裂隙帶高度分別為20m,30m.
4)通過分析研究并對(duì)比現(xiàn)場抽采鉆孔瓦斯抽采結(jié)果,建議高位鉆場終孔的設(shè)計(jì)高度在30m左右。
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