韓云春 ,劉朝偉,李寧,徐興東,李志兵 ,吳基文,翟曉榮
(1.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南市 232001;2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮南市 232001;3.青海能源魚卡有限責(zé)任公司,青海 德令哈市 817000;4.安徽理工大學(xué),安徽 淮南市 232063)
隨著煤炭開采深度的增加,采掘活動受高承壓水的威脅越來越嚴(yán)重,煤層底板突水成為制約我國煤炭資源的安全高效開采的重要因素[1?5]。研究高承壓水環(huán)境下的煤層底板采動效應(yīng),對保護(hù)煤礦安全和提升煤礦經(jīng)濟(jì)效益都有十分重要的意義[6?8]。對承壓水體上的煤層底板進(jìn)行注漿改造是防止煤層底板突水的常用手段,但是,在煤層底板注漿效果方面,目前的研究大都是針對未注漿的底板進(jìn)行開展。對于煤層底板注漿改造的實(shí)際效果、注漿改造底板與原始底板的變形破壞特征的差異性,尚缺乏具體的定量研究[9?12]。因此,本文通過數(shù)值分析的方法,對比分析注漿前、后工作面底板變形破壞特征,揭示煤層底板注漿效果。
本次研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,建立注漿前、后2種不同強(qiáng)度煤層底板的地質(zhì)模型。2種地質(zhì)模型的長x為550m、寬y為290m,高z為93m,如圖1所示。采煤工作面的走向長為440m、傾向長為220m,采煤工作面位于地質(zhì)模型內(nèi)部,采空區(qū)兩側(cè)各留設(shè)35m的煤柱,開切眼距模型邊界留設(shè)50m煤柱。
圖1 地質(zhì)模型
為了保證煤層底板破壞深度的充分發(fā)展,本次考察2種模型的采煤工作面推進(jìn)距離為90m時(shí)的底板破壞情況。
對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對不同巖層賦參。根據(jù)地質(zhì)模型所處于的空間位置施加邊界荷載,上邊界按上覆巖體自重賦予應(yīng)力,下邊界按承壓水壓力賦值,水平應(yīng)力根據(jù)巖體泊松比計(jì)算[13?14]。
經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算得出2種模型底板屈服破壞圖(見圖2),由圖2可知,模型Ⅰ(注漿前底板)、模型Ⅱ(注漿后底板)的最大底板破壞深度分別為13.05m和8.7m,當(dāng)注漿后,底板強(qiáng)度增加,底板破壞深度顯著減小。
以地質(zhì)模型y坐標(biāo)140m處為走向剖面,在該剖面上距離切眼80m處的位置,從煤層直接底開始向下每隔5m布置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn),共布置9個(gè)監(jiān)控點(diǎn)來監(jiān)測開挖90m時(shí)的應(yīng)力和位移變化情況,監(jiān)測線位置如圖3所示。
圖2 2種模型底板屈服破壞
圖3 監(jiān)測線位置
通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn),當(dāng)工作面從開切眼開始回采90m時(shí),2種模型煤層底板的z方向應(yīng)力分布具有差異性,由于煤層底板注漿,其巖體強(qiáng)度增加,使得同一深度處的z方向應(yīng)力較未注漿底板的z方向應(yīng)力有所增加,至煤層底板30m深度處,未注漿底板與注漿底板的z方向應(yīng)力才趨于相同。在煤層直接底(距底板深度為0m)的位置差異最大,此處模型Ⅰ和模型Ⅱz方向應(yīng)力分別為3.74 MPa和4.49 MPa,相差0.75 MPa(見表1)。
表1 2種模型Z方向應(yīng)力隨距底板深度變化
如圖4所示,注漿底板相比于未注漿底板,其7.5~10 MPa的應(yīng)力區(qū)(底板黃色區(qū)域)范圍有所收縮,原巖應(yīng)力(底板綠色區(qū)域)有所擴(kuò)大,說明注漿對煤層底板應(yīng)力解除具有限制作用,起到了底板加固改造的效果。
圖4 2種模型z方向應(yīng)力分布
監(jiān)測發(fā)現(xiàn),當(dāng)工作面從開切眼開始回采90m時(shí),2種模型的位移隨煤層底板深度的變化表現(xiàn)出明顯的差異性,總體上,未注漿底板變形量大于注漿底板的位移量。距底板深度40m開始,2種模型的位移量相近,且變形量都開始接近于0(見圖5)。由圖6可知,相比于未注漿底板5~9.34 cm的較大變形區(qū)(底板紅色區(qū)域),注漿底板的變形區(qū)明顯收縮,采動影響下的注漿底板整體變形比未注漿底板小。
圖5 2種模型位移隨底板深度變化曲線
圖6 2種模型z方向位移分布
通過數(shù)值分析,研究了注漿前底板和注漿后底板2種不同模型的采動效應(yīng),結(jié)果表明:
(1)煤層底板注漿后相比于注漿前,底板采動破壞深度減小,z方向應(yīng)力增大,底板的位移量減?。?/p>
(2)采煤工作面底板注漿對巖體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的改造具有顯著效果,對煤層底板采動效應(yīng)具有明顯的控制作用。