呂長(zhǎng)國(guó),竇林名,徐長(zhǎng)厚,張明偉,鄭有雷

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;3.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦,山東鄒城 272069)

上解放層開(kāi)采解放作用機(jī)理數(shù)值模擬研究

呂長(zhǎng)國(guó)1,2,竇林名1,2,徐長(zhǎng)厚1,張明偉1,2,鄭有雷3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;3.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦,山東鄒城 272069)

為實(shí)現(xiàn)大埋深沖擊礦壓煤層的安全高效回采,依據(jù)濟(jì)三煤礦十二采區(qū)工作面地質(zhì)條件及開(kāi)采參數(shù),對(duì)上解放層工作面開(kāi)采過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析及地應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析。研究結(jié)果表明：開(kāi)采解放層會(huì)改變被解放層原巖應(yīng)力分布狀態(tài);開(kāi)采解放層破壞頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu),提前釋放高位巖體彈性能,改善被解放層開(kāi)采中能量積聚與釋放的空間分布狀況;隨解放層工作面的推進(jìn),下方被解放層應(yīng)力會(huì)經(jīng)歷采前應(yīng)力升高、采后應(yīng)力降低和應(yīng)力逐漸穩(wěn)定 3個(gè)階段;數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定卸壓效果基本吻合。研究成果為工作面開(kāi)采布置提供借鑒,具有一定的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

沖擊礦壓;解放層;數(shù)值模擬;解放作用機(jī)理

沖擊礦壓是世界范圍內(nèi)煤礦礦井中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一,尤其隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加,以及開(kāi)采條件越來(lái)越復(fù)雜,沖擊礦壓現(xiàn)象越來(lái)越多,危害也越來(lái)越大[1]?！稕_擊地壓煤層安全開(kāi)采暫行規(guī)定》第十五條明確規(guī)定,沖擊礦壓煤層開(kāi)采設(shè)計(jì)應(yīng)首先開(kāi)采解放層。解放層開(kāi)采技術(shù)是最有效的戰(zhàn)略性措施,是防治沖擊礦壓的有效和帶有根本性的區(qū)域性防范措施[2-3]。

大量實(shí)踐和研究表明,解放層的開(kāi)采改變巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律,降低煤與瓦斯突出危險(xiǎn),增大煤層透氣性,有利于瓦斯抽采工作[4-10]。但對(duì)上解放層開(kāi)采,降低煤層沖擊危險(xiǎn)性的卸壓效果和解放作用機(jī)理研究較少,本文結(jié)合兗州煤業(yè)集團(tuán)濟(jì)寧三號(hào)煤礦的實(shí)際開(kāi)采條件,運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法,分析研究了上解放層開(kāi)采過(guò)程中被解放層應(yīng)力分布和煤巖移動(dòng)變形規(guī)律,分析卸壓解放機(jī)理,為具沖擊傾向煤層安全開(kāi)采合理布局提供借鑒。

1 工程概況

濟(jì)寧三號(hào)煤礦主采煤層為 3上煤和 3下煤,其中3下煤層沖擊傾向性較強(qiáng)。隨著開(kāi)采深度及范圍的擴(kuò)大、地質(zhì)構(gòu)造日趨復(fù)雜,原巖應(yīng)力及圍巖移動(dòng)釋放的能量強(qiáng)度增大,礦井沖擊危險(xiǎn)性逐年升高。

上解放層 123上04工作面為十二采區(qū) 3上煤層首采工作面,對(duì)應(yīng) 3下沖擊傾向煤層 123下03工作面。123上04工作面標(biāo)高 -555.8～-652.6m,平均為 -610.5m;該面走向長(zhǎng) 2196.0m,傾斜長(zhǎng) 150.4m;3上煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,煤層傾角 0～12°,平均 3°,大部分厚度 1.4m以上,最大厚度 2.2m,平均1.72m;3上煤層直接頂為粉砂巖及細(xì)粉砂巖互層,直接底為泥巖,老底為堅(jiān)硬中砂巖及細(xì)粉砂巖互層;3下煤厚度 5.80～7.36m,平均 6.86m,3上煤、3下煤間距 32.33～41.79m,平均 34.27m。

2 模型的建立

2.1 數(shù)值模型及邊界條件

模擬解放層工作面開(kāi)采過(guò)程,工作面開(kāi)采影響范圍很大,但模型范圍有限。為建立本次研究所需的有限范圍分析模型,消除邊界約束對(duì)分析結(jié)果的影響,數(shù)值模型的始采線位置距模型邊界 110m,終采線距模型邊界 110m,3上煤層的開(kāi)采方向從左到右,開(kāi)采長(zhǎng)度為 180m,數(shù)值模型寬度為 400m。模型覆蓋實(shí)際煤巖體的范圍為 3下煤底板下 26.6m至 3上煤頂板以上 83m,數(shù)值模型高度為 150m。研究范圍的煤巖體以砂巖、黏土巖為主。

模型底邊界采用全約束條件,即左右移動(dòng)和上下移動(dòng)均受限制;模型的左右邊界施加水平約束條件,即限制左右移動(dòng),但可上下移動(dòng),使邊界巖體不至于影響內(nèi)部巖體的應(yīng)力迭代計(jì)算。模型的頂邊界根據(jù)上覆巖層重力產(chǎn)生的均布載荷,施加應(yīng)力邊界條件[11]。力學(xué)模型如圖 1所示。

圖1 保護(hù)層開(kāi)采數(shù)值模擬力學(xué)模型

2.2 巖層屬性及開(kāi)采方法

本次數(shù)值模擬煤巖層物理力學(xué)參數(shù)基本由巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)確定,參照位于 123上04面的 C4-4鉆孔資料。

保護(hù)層開(kāi)采后周圍 (煤)巖層移動(dòng)、變形、破壞是漸變過(guò)程,伴隨工作面的向前推進(jìn),采空區(qū)范圍的不斷擴(kuò)大,應(yīng)力的不斷調(diào)整而逐步發(fā)展變化。為掌握其發(fā)生和發(fā)展演化規(guī)律,對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,使之轉(zhuǎn)化成更符合實(shí)際的動(dòng)態(tài)問(wèn)題。為此,保護(hù)層開(kāi)采采用分步開(kāi)挖的開(kāi)采方式,一次采全高,結(jié)合工作面的實(shí)際推進(jìn)進(jìn)度,每5m為 1個(gè)開(kāi)采步距,以垮落法處理頂板。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 被解放層應(yīng)力變化規(guī)律

距離開(kāi)切眼 80m的 3下煤層中部及其上覆頂板5m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)垂直應(yīng)力,垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線如圖 2所示。沿工作面走向,解放層 3上煤層開(kāi)采過(guò)程中,被解放煤層內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況如圖 3所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖3 3下煤層垂直應(yīng)力隨回采距離的分布規(guī)律

由圖 2應(yīng)力變化曲線可知,隨解放層工作面的推進(jìn),3下煤層及其頂板中的垂直應(yīng)力經(jīng)歷了采前應(yīng)力升高、采后應(yīng)力降低和應(yīng)力逐漸穩(wěn)定 3個(gè)階段。如圖 3所示,解放層的開(kāi)采范圍對(duì)被解放層有較大影響,解放層開(kāi)采初期,解放層開(kāi)采對(duì)被解放層煤體垂直應(yīng)力影響較小,當(dāng)回采 45m時(shí),3下煤層垂直應(yīng)力有所降低,煤層卸壓程度與范圍都較小,卸壓效果不明顯。隨著工作面向前推進(jìn),由于3上煤層底板巖層的移動(dòng),采空區(qū)下方一定范圍內(nèi)被解放層垂直應(yīng)力進(jìn)一步降低,被解放層卸壓效果逐漸增強(qiáng)并趨于穩(wěn)定,這也大大降低了煤層開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性。當(dāng)卸壓范圍進(jìn)一步增大,由于底板巖層的進(jìn)一步移動(dòng),解放層采空區(qū)后部重新被壓實(shí),被解放層的垂直應(yīng)力有所升高,并且最終穩(wěn)定在較原巖應(yīng)力低的 13.6MPa左右。

同時(shí)由于 3上煤層底板巖層的應(yīng)力傳遞作用,使解放層開(kāi)切眼煤柱區(qū)和工作面下方煤體形成應(yīng)力集中區(qū),3下煤層對(duì)應(yīng)上解放層開(kāi)切眼內(nèi)側(cè) 15～20m范圍,垂直應(yīng)力降至原巖應(yīng)力水平,因此,在3下煤層開(kāi)采設(shè)計(jì)中,開(kāi)切眼要與 3上煤層開(kāi)切眼內(nèi)錯(cuò) 15～20m,避開(kāi)高應(yīng)力集中區(qū)。

3.2 被解放層位移變化規(guī)律

圖4為 3下煤層垂直位移值隨解放層回采距離變化規(guī)律。

圖4 3下煤層垂直位移隨回采距離的分布規(guī)律

如圖 4所示,由于上解放層開(kāi)采使上覆巖層應(yīng)力重新分布,被解放層的應(yīng)力得到釋放,被解放層一定范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的膨脹變形,降低被解放層的彈性能,并有效降低了沖擊危險(xiǎn)性,從而使被解放層得到充分保護(hù),其中被解放層中部位置的膨脹變形最大,卸壓最充分。隨著解放層開(kāi)采距離增大,膨脹變形區(qū)也隨之變大。同時(shí),被解放層一定范圍內(nèi)煤層被壓縮,解放層開(kāi)切眼后方 20m的被解放層煤柱,解放層工作面前方 10～20m被解放層煤體壓縮變形最大,對(duì)應(yīng)位置支承壓力出現(xiàn)最大值。

被解放層水平位移隨采煤工作面推進(jìn)距離的變化關(guān)系如圖 5所示,圖中縱坐標(biāo)為被解放層水平位移,大于零表示煤體移動(dòng)方向與回采方向一致,反之與回采方向相反。

圖5 3下煤層水平位移隨回采距離的分布規(guī)律

如圖 5所示,解放層開(kāi)采后,被解放層卸壓區(qū)煤層水平變形出現(xiàn) 2個(gè)區(qū)域,采空區(qū)前半部分對(duì)應(yīng)煤層的水平移動(dòng)方向與回采方向一致;而采空區(qū)后半部分對(duì)應(yīng)煤層的水平移動(dòng)方向與回采方向則相反。卸壓區(qū)煤層在工作面支承壓力的作用下,向中間擠壓變形,中間煤體水平移動(dòng)不對(duì)稱,增加該區(qū)域煤體機(jī)械破壞,有利于 3下煤層次生裂隙的發(fā)育,降低了 3下煤層的彈性潛能。解放層工作面回采135m,水平位移值較回采 90m時(shí)低,因?yàn)殡S采空區(qū)的加大,上覆巖層逐步垮落壓實(shí),使得解放層變形值減小,工作面回采 180m,煤層前半部分水平位移值接近于 0mm。

3.3 解放作用機(jī)理

秦子晗、潘俊鋒等通過(guò)分析被解放層圍巖應(yīng)力分布變化特征確定卸壓效果和卸壓機(jī)理[12],本文通過(guò)分析被解放層應(yīng)力變化和圍巖變形破裂規(guī)律,揭示解放層開(kāi)采的解放作用機(jī)理。解放層工作面回采 150m時(shí),圍巖狀態(tài)如圖 6所示。

圖6 回采 150m時(shí)圍巖狀態(tài)

(1)開(kāi)采解放層后,改變被解放層原巖應(yīng)力分布狀態(tài),減緩強(qiáng)礦壓發(fā)生的應(yīng)力水平。

(2)解放層開(kāi)采后,頂板巖層出現(xiàn)大面積斷裂冒落,破壞了頂板巖層結(jié)構(gòu),提前釋放高位巖層儲(chǔ)存彈性能,降低了沖擊危險(xiǎn)性。

(3)解放層的開(kāi)采,工作面超前支承壓力和采空區(qū)兩端的側(cè)向支承壓力通過(guò)底板向下傳遞,使下部煤巖層向已形成的采空區(qū)產(chǎn)生移動(dòng)變形,產(chǎn)生鼓裂區(qū)域,破壞了 3下煤層及其上覆厚層堅(jiān)硬頂板的完整性,釋放了頂板中積聚的大量彈性能。

(4)上層煤開(kāi)采的超前支承壓力使下層煤經(jīng)歷了一次加卸載運(yùn)動(dòng),煤體強(qiáng)度和整體性已經(jīng)受到損傷和破壞,出現(xiàn)膨脹破裂變形區(qū)域,減弱了儲(chǔ)存大量彈性能的能力,開(kāi)采 3下煤層時(shí)頂板彎曲下沉,在裂隙處易形成拉應(yīng)力而遭斷裂破壞,降低因煤層上方堅(jiān)硬頂板整體活動(dòng)引發(fā)沖擊礦壓的危險(xiǎn)性。

(5)解放層采空區(qū)形成人造“松散破碎弱結(jié)構(gòu)”,其對(duì)震動(dòng)波加速度與能量的強(qiáng)衰減性使頂板震源能量得到充分的吸收、散射,其沖擊震動(dòng)能量的強(qiáng)耗散能力可充分保護(hù)下方煤層開(kāi)采,從而能最大程度地避免由于頂板型礦震震動(dòng)波導(dǎo)致的疊加應(yīng)力場(chǎng)高于巷道圍巖體的極限承載強(qiáng)度引發(fā)強(qiáng)礦壓的發(fā)生。

通過(guò)以上解放機(jī)理的協(xié)同作用,解放層開(kāi)采后,有效降低了被解放層回采的沖擊危險(xiǎn)性,起到了充分的卸壓保護(hù)作用,開(kāi)切眼側(cè)模擬卸壓保護(hù)角為 69°,工作面?zhèn)饶M卸壓保護(hù)角為 77°。

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)模擬區(qū)域被解放層的地應(yīng)力變化進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。觀測(cè)方案如圖 7所示,1至 4號(hào)應(yīng)力計(jì)安裝深度分別為 19m,23m,34m,30m,水平間距 2m,距離底板 1.2m左右,垂直 123上膠帶巷方向施工。應(yīng)力計(jì)安裝位置與巷幫水平間距分別為 5m,10m,20m和 13m。

圖7 被解放層應(yīng)力觀測(cè)方案

應(yīng)力計(jì)自 2009年 7月 8日開(kāi)始正常采集數(shù)據(jù),此時(shí) 123上04工作面與其水平間距為 150m左右,2009年 9月 2日工作面采過(guò)其安裝位置 190m后,應(yīng)力計(jì)停止工作。解放層開(kāi)采前后被解放層地應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表1 被解放層地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

解放層開(kāi)采過(guò)后,被解放層 3下煤層得到一定程度的卸壓,其卸壓效果如圖 8所示,圖中的應(yīng)力釋放率采用下式計(jì)算[13]：

式中,R為應(yīng)力釋放率,σ為煤層的初始應(yīng)力(MPa),σ′為煤層卸壓后的應(yīng)力 (MPa)。

圖8 被解放層應(yīng)力釋放率

由圖 8可以看出,被解放層應(yīng)力得到了釋放,且越靠近工作面中部位置,卸壓效果越理想,最大應(yīng)力釋放率 19.2%。而安裝在工作面傾向 20m位置的 3號(hào)應(yīng)力計(jì),測(cè)得應(yīng)力釋放率偏低的原因是其靠近 HF75斷層,煤巖破裂,初始地應(yīng)力相對(duì)較小,且受工作面回采影響,斷層殘余構(gòu)造應(yīng)力易產(chǎn)生疊加。由此可見(jiàn),實(shí)測(cè)卸壓效果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,數(shù)值模擬結(jié)果可達(dá)到工程使用要求,具有可信性。

5 結(jié)論

(1)開(kāi)采解放層改變了被解放層原巖應(yīng)力分布狀態(tài);破壞了巖層結(jié)構(gòu),改變頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律,提前釋放了積聚在高位巖體中的彈性能;破壞堅(jiān)硬底板完整性,被解放煤層出現(xiàn)膨脹變形,改善了被解放層開(kāi)采中能量積聚與釋放的空間分布狀況;破壞的巖體結(jié)構(gòu),增加了震動(dòng)波衰減系統(tǒng),降低了震動(dòng)波對(duì)被解放層的作用。

(2)隨解放層工作面的推進(jìn),被解放煤層及其頂板中的垂直應(yīng)力經(jīng)歷采前應(yīng)力升高、采后應(yīng)力降低和應(yīng)力逐漸穩(wěn)定 3個(gè)階段。

(3)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果顯示,解放層開(kāi)采后,被解放層應(yīng)力得到釋放,卸壓效果理想,數(shù)值模擬結(jié)果與此卸壓效果基本吻合,采用數(shù)值模擬方法研究解放層卸壓效果具有可信性。

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[責(zé)任編輯：鄒正立 ]

Numerical Simulation of Protective Mechan ism of Upper Protective Seam Mininig

LV Chang-guo1,2,DOU Lin-ming1,2,XU Chang-hou1,ZHANG Ming-wei1,2,ZHENG You-lei3
(1.State Key Laboratory of Coal Resources&Safe Mining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;3.Jining 3rdMine,Yanzhou Coal Co.,Ltd,Zhoucheng 272069,China)

In order to safely mine deep coal-seam with rock-burst liability,rule of stress and deformation of surrounding rock in mining upper protective coal-seam was simulated by numerical method and geo-stress was test on the basis of geological and mining condition of 12thmining area in Jining 3rdmine.Results were showed as follows.Mining protective coal-seam would change stress distribution state of protected coal-seam.Protective coal-seam mining would destroy its roof and floor rock structure and release elastic energy of higher strata in advance,which improve energy accumulation and release condition of protected coal-seam.With protective mining face advancing,stress in protected coal-seam would come through 3 phrases including stress increase before mining,stress decrease after mining and stress stability.Numerical simulation result was fit for on-the-spot observation data,so the results would provide reference for mining design.

rock-burst;protective coal-seam;numerical simulation;protective action mechanism

TD823.84

A

1006-6225(2011)02-0012-04

2011-01-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 (973)資助項(xiàng)目 (2010CB226805),煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目(SKLCRS M10X05);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50490273,50474068)。

呂長(zhǎng)國(guó) (1985-),男,山東淄博人,碩士研究生,主要從事礦山壓力、沖擊礦壓、采礦地球物理等方面的研究。