王志平

(河南大有能源股份有限公司 新安煤礦,河南 新安 471842)

煤層開(kāi)采所產(chǎn)生的礦山壓力是礦井開(kāi)采設(shè)計(jì)中最為重要的基礎(chǔ)指標(biāo)之一,它展現(xiàn)的變化規(guī)律錯(cuò)綜復(fù)雜,尤其是在近距離煤層群開(kāi)采過(guò)程中.位于煤層群的上煤層工作面在回采后,其采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)對(duì)下煤層工作面開(kāi)切眼位置的選擇及支護(hù)方案設(shè)計(jì)有最為直接的影響[1-4].錢(qián)鳴高[5]、蔡光順[6]等認(rèn)為近距離煤層開(kāi)采后,底板遭到破壞的范圍與煤層的開(kāi)采范圍和采空區(qū)周圍支承壓力的分布情況有關(guān);文獻(xiàn)[7]對(duì)煤層采空區(qū)底板的破壞形態(tài)進(jìn)行了描述,在國(guó)內(nèi)率先提出了煤層采空區(qū)底板巖層破壞的“三帶”概念:底板自上而下有鼓脹開(kāi)裂帶(8～15 m)、微小變形移動(dòng)帶(20～25 m)和應(yīng)力微變帶(60～80 m);李白英[8]的研究提出了“下三帶”理論,該理論認(rèn)為煤層底板自上而下存在著三個(gè)帶:采動(dòng)底板破壞帶(Ⅰ帶)、完整巖層帶(Ⅱ帶)、承壓水導(dǎo)升高度帶(Ⅲ帶);王作宇[9]提出了“底板移動(dòng)的原位張裂和零位破壞”理論.本文以某煤礦近距離煤層群開(kāi)采為實(shí)際案例,以該煤層群的煤巖實(shí)際賦存情況為研究基礎(chǔ),采用相關(guān)力學(xué)理論計(jì)算、數(shù)值模擬等研究方法,對(duì)上覆煤層回采期間巷道底板的應(yīng)力分布及周邊圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況進(jìn)行探討,對(duì)類似條件下的煤層開(kāi)采具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.

1 工作面概況

該礦井工作面煤層屬太原組中下部,東翼三盤(pán)區(qū)上覆煤層9煤與下覆煤層10煤的層間距約為2.6～10.5 m,煤層厚度為0.89～3.5 m,平均1.91 m,含0～3層夾矸.煤層頂板較不穩(wěn)定以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,其中直接頂為深黑色的中粗砂巖,基本頂為深灰色、致密的粉砂巖;直接底為深灰色泥巖,帶有一定的層理發(fā)育,老底為致密深黑色粉砂巖,同樣帶有一定的層理發(fā)育.綜合柱狀圖如圖1所示.

圖1 綜合柱狀圖

2 底板應(yīng)力理論

在煤層回采過(guò)程中,本處于平衡狀態(tài)的原巖應(yīng)力在采動(dòng)影響下,各種空間關(guān)系被破壞,導(dǎo)致工作面周邊圍巖應(yīng)力不斷重新分布變化,最終形成新的圍巖應(yīng)力.然而,這種新的圍巖應(yīng)力分布對(duì)整個(gè)煤層群中下煤層的回采空間及其邊界安全保護(hù)煤柱都會(huì)產(chǎn)生不同范圍和不同程度的應(yīng)力集中[10],同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步傳遞至煤層底板的深部巖層.

根據(jù)巖土力學(xué)原理,當(dāng)某一集中力P作用于地下某一點(diǎn)時(shí)(如圖2所示),會(huì)產(chǎn)生影響垂直應(yīng)力σz為

圖2 集中力作用在地下某一點(diǎn)

(1)

式中:Z為上煤層底板至下煤層底板之間的垂直距離;R為集中力P至地下某點(diǎn)的直線距離.

當(dāng)某一集中力qdx作用于各向同性均質(zhì)半無(wú)限平面體上時(shí)(如圖3所示),我們可以得到在該平面體內(nèi)任意一點(diǎn)(θ,r)產(chǎn)生的應(yīng)力大小.同時(shí),根據(jù)相同的邊界條件和集中力的作用方式,在力的疊加原理基礎(chǔ)上,受均布載荷的自由邊界上任一點(diǎn)(θ,r)的應(yīng)力結(jié)果為[11,12]

圖3 均布載荷下半無(wú)限平面體的受力分布

(2)

式中:q為作用在底板上的載荷;θ為壓力傳遞影響角;r為點(diǎn)到z方向的垂距.

根據(jù)式(1)和式(2)可以得出,在均布載荷下,底板受水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、剪切應(yīng)力的影響結(jié)果綜合考慮2個(gè)主要因素:(1)底板所處位置的埋深;(2)作用在底板上均布載荷的分布寬度l.由式(2)可以看出,在同一垂面上隨深度的增加,θ逐漸減小,垂直應(yīng)力σz也逐漸減小,即垂直應(yīng)力σz隨深度的增加而變小;當(dāng)深度減小時(shí),σz逐漸增大,其主要影響范圍為6.25l;與垂直應(yīng)力σz相比,水平應(yīng)力σx的影響范圍較小,一般為1.5l;剪切應(yīng)力τxz一般出現(xiàn)在載荷作用邊界,其影響范圍一般為2l,所以受力巖體的邊緣部位受剪切破壞的可能性較大.

結(jié)合材料力學(xué)相關(guān)理論知識(shí),在平面條件下,主應(yīng)力的計(jì)算公式[13]為

(3)

(4)

將式(2)的對(duì)應(yīng)數(shù)值代入式(3)和式(4),同時(shí)令α=θ2-θ1,通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到作用于底板巖層的最大主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力,分別是

(5)

(6)

最大剪應(yīng)力為

(7)

當(dāng)α=π/2時(shí),剪應(yīng)力達(dá)到極值:

(8)

根據(jù)式(7)和式(8)可以看出,位于以分布載荷寬度l為直徑的半圓上,煤層底板巖層剪應(yīng)力處于極值狀態(tài).從而得知,其最大剪應(yīng)力在底板中能夠達(dá)到的深度最大為

(9)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)實(shí)際的巖性綜合柱狀圖建立數(shù)值模擬模型.煤層巷道圍巖的物理力學(xué)特性參照該工作面提供的實(shí)測(cè)巖體力學(xué)特性來(lái)確定,建立的FLAC3D數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型如圖4所示.模型兩側(cè)限制水平方向位移,底部限制垂直方向位移,上部頂端增加平均分布的載荷,本模型采用Mohr-Coulomb模型.由于數(shù)值計(jì)算力學(xué)模擬模型需要綜合考慮計(jì)算時(shí)間、精細(xì)度等各種影響因素,特對(duì)模擬煤層周邊的圍巖進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化[14,15],如圖5所示.

圖4 數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型

圖5 模型的網(wǎng)格剖分

本模擬方案模型尺寸為360 m(長(zhǎng))×300 m(寬)×90 m(高).模型兩側(cè)面為滑動(dòng)支承,底部為固定支承,上部為應(yīng)力邊界,模型共劃分460 800個(gè)單元、484 875個(gè)節(jié)點(diǎn).

3.2 模擬方案

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際煤層賦存情況,模型設(shè)定上煤層9煤切眼長(zhǎng)度為150 m,采高為1.91 m;下煤層10煤切眼長(zhǎng)度為200 m,采高為2.63 m.9煤原開(kāi)切眼位置位于模型邊界煤柱30 m處,從原開(kāi)切眼處進(jìn)行回采開(kāi)挖,模型設(shè)定了工作面5個(gè)推進(jìn)距離,分別為10,30,100,150,200 m;在該條件下,對(duì)回采過(guò)程中的頂?shù)装鍛?yīng)力分布、圍巖塑性區(qū)發(fā)育變化情況進(jìn)行分析研究[16].

3.2.2 模擬步驟

1)建立整體模型,模型原巖應(yīng)力平衡計(jì)算.

2)開(kāi)挖9煤工作面,模型應(yīng)力平衡計(jì)算.

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬方案,得到工作面不同推進(jìn)距離時(shí)切眼邊界煤柱及原開(kāi)切眼底板圍巖應(yīng)力變化云圖,如圖6所示.

圖6 不同推進(jìn)距離下回采位置及原開(kāi)切眼底板圍巖應(yīng)力分布

圖6模擬結(jié)果顯示,切眼推進(jìn)位置的前方為應(yīng)力集中區(qū),采空區(qū)下部底板應(yīng)力較小;隨著工作面推采距離的增加,底板應(yīng)力卸壓區(qū)也逐漸變大;當(dāng)工作面回采距離達(dá)到一定的范圍后,工作面后方一定范圍內(nèi)將趨于穩(wěn)定狀態(tài),同時(shí)該范圍內(nèi)的頂?shù)装宓膰鷰r應(yīng)力將處于穩(wěn)定狀態(tài),然而原開(kāi)切眼位置的巷道底板圍巖應(yīng)力隨工作面回采距離變大而逐漸增加.

圖7為工作面不同推進(jìn)距離時(shí)原開(kāi)切眼邊界煤柱圍巖塑性區(qū)分布變化云圖.圖7模擬結(jié)果顯示,從原開(kāi)切眼處向前掘進(jìn)至10 m左右時(shí),9煤切眼塑性區(qū)擴(kuò)展至基本頂上方3 m左右,底板塑性區(qū)基本沒(méi)有發(fā)育;當(dāng)掘進(jìn)30,100,150,200 m左右時(shí),該塑性區(qū)擴(kuò)展至基本頂上方6～50 m左右,底板塑性區(qū)開(kāi)始發(fā)育,并且底板塑形區(qū)向采空區(qū)后方發(fā)展,底板塑性區(qū)最深向下擴(kuò)展至7 m左右.

圖7 不同推進(jìn)距離下回采位置及原開(kāi)切眼的圍巖塑性區(qū)分布

隨著工作面推采距離的增加,開(kāi)切眼塑性區(qū)對(duì)頂部影響范圍與推進(jìn)距離成正比,當(dāng)工作面推進(jìn)至一定距離后底板塑性區(qū)開(kāi)始發(fā)育,并隨著推進(jìn)距離的增大,底板塑性區(qū)范圍愈深.

按照模擬方案,從原開(kāi)切眼位置向前推進(jìn)至不同位置,原開(kāi)切眼處的前后方支撐壓力分布如圖8所示,采空區(qū)底板前后支撐壓力分布如圖9所示.

由圖8與圖9看出：采空區(qū)底板應(yīng)力受回采影響很小,切眼前方15 m左右為應(yīng)力增高區(qū).隨著推采距離的不斷增大,一方面原開(kāi)切眼處圍巖應(yīng)力峰值一般處于回采位置前方10～20 m處,其最大值達(dá)到25.16 MPa,其應(yīng)力集中系數(shù)與回采距離成正比,最大系數(shù)為3.55;另一方面回采位置底板前方的應(yīng)力峰值也位于工作面前方10～20 m處,最大值為16.25 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)也與工作面推進(jìn)距離成正比,其最大系數(shù)為2.29.

圖8 不同推進(jìn)距離下原開(kāi)切眼前后支承壓力分布

圖9 不同推進(jìn)距離下采空區(qū)底板支承壓力分布

4 結(jié)論

1)煤層群上位煤層從回采至結(jié)束,9煤開(kāi)切眼塑性區(qū)對(duì)頂?shù)装逅苄园l(fā)育范圍逐漸增大,推采位置前方10～20 m始終為應(yīng)力集中區(qū);切眼前方和采空區(qū)底板的應(yīng)力集中系數(shù)也與工作面推進(jìn)距離成正比.

2)采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法為下煤層10煤工作面的開(kāi)切眼位置選擇提供了重要的理論計(jì)算依據(jù),能夠避免上煤層9煤原開(kāi)切眼邊界遺留煤柱形成的集中應(yīng)力的影響,同時(shí)為10煤開(kāi)切眼支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持.

3)本文采用的FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)近距離煤層下行開(kāi)采進(jìn)行研究,但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,是否同樣適用于近距離煤層上行開(kāi)采有待進(jìn)一步研究.