呂兆海,李立波

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)清水營(yíng)煤礦, 寧廈銀川 750001;2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院, 陜西西安710054;3.教育部西部礦山開(kāi)采及災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安 710054)

大傾角大采高工作面采場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

呂兆海1,李立波2,3

(1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)清水營(yíng)煤礦, 寧廈銀川 750001;2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院, 陜西西安710054;3.教育部西部礦山開(kāi)采及災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安 710054)

大采高開(kāi)采是我國(guó)中、厚煤層開(kāi)采工藝發(fā)展的主要方向。以復(fù)雜埋藏條件下的清水營(yíng)煤礦大采高工作面為工程背景,利用FLAC3D進(jìn)行工作面開(kāi)采過(guò)程圍巖運(yùn)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(chǎng)頂板下沉量、應(yīng)力監(jiān)測(cè)相符,因此,模擬結(jié)果可以作為現(xiàn)場(chǎng)參量變化的參照,對(duì)工作面采場(chǎng)管理具有一定的參考意義。

大采高工作面;采場(chǎng)管理;數(shù)值模擬;塑性破壞

大采高開(kāi)采是我國(guó)中、厚煤層開(kāi)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(lái)壓強(qiáng)度提高了約5.2%,周期來(lái)壓步距增大了約4.6%[2,3]。采高的增加,勢(shì)必加大巷道的高度和寬度,加之工作面開(kāi)采過(guò)程中劇烈的來(lái)壓影響,對(duì)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(kāi)采工藝的發(fā)展,各方面的理論研究都有了長(zhǎng)足進(jìn)步[4,5],對(duì)寧東礦區(qū)開(kāi)采特征也有相應(yīng)的研究[6,7]。

以復(fù)雜埋藏條件下清水營(yíng)煤礦為例,通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采實(shí)踐,研究了大采高工作面開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力、位移、塑性區(qū)演化特征,為開(kāi)采設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

清水營(yíng)煤礦是神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)的重點(diǎn)建設(shè)煤礦之一,礦井設(shè)計(jì)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(kāi)采深度138～338m。

110202工作面是清水營(yíng)煤礦首個(gè)大采高工作面,工作面走向長(zhǎng)1200m,斜長(zhǎng)290m,工作面煤層平均厚度5.12m,設(shè)計(jì)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(fēng)化,在工作面推進(jìn)過(guò)程中,頂板易碎,裂隙加大,屬易冒落頂板,該巖層滲透性強(qiáng),導(dǎo)水性好,是富水性強(qiáng)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(xué)模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)由美國(guó)Itasca公司開(kāi)發(fā)的三維有限差分程序,能較好地模擬煤巖介質(zhì)在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)行為,進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。根據(jù)清水營(yíng)煤礦地質(zhì)資料和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得出煤層及主要巖層力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模型

計(jì)算力學(xué)模型見(jiàn)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(jìn),采用Mohr - Coulomb plasticity model本構(gòu)模型。模型底部限制垂直移動(dòng),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(dòng),整個(gè)模型由31500個(gè)單元組成,包括34768個(gè)節(jié)點(diǎn)。三維數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2。為減少模擬過(guò)程中的邊界影響,模型左右兩端開(kāi)挖時(shí)各留設(shè)50m保護(hù)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(jìn)過(guò)程中,頂板(煤)巖體在開(kāi)采擾動(dòng)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(duì)工作面采場(chǎng)管理有重要的意義。

圖1 計(jì)算力學(xué)模型

圖2 三維數(shù)值模計(jì)算模型

圖3體現(xiàn)了工作面開(kāi)采過(guò)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(jìn),對(duì)上部巖層的影響明顯增強(qiáng),呈不規(guī)則對(duì)稱(chēng)的馬鞍形向上方逐漸擴(kuò)展,工作面推進(jìn)30m時(shí)影響范圍已達(dá)到粗砂頂?shù)?/4處,即老頂5m左右范圍。

圖4為工作面推進(jìn)5,10,20,30m時(shí)的位移矢量變化。工作面頂板下沉方向以豎向?yàn)橹?部分區(qū)域與工作面頂板垂直;開(kāi)采初期,圍巖受擾動(dòng)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(dāng)工作面推進(jìn)距離繼續(xù)加大時(shí),最大下沉量達(dá)到13.0cm,位于工作面中部,沿傾向基本呈對(duì)稱(chēng)分布,在上、下端頭下沉量相對(duì)最小,但也基本維持在6～8cm左右,頂板下沉變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

開(kāi)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(diǎn),提取各點(diǎn)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(jìn)距離加大,頂板承受應(yīng)力隨之增加;整個(gè)工作面傾向120～150m處承受的應(yīng)力逐漸達(dá)到峰值,180m處應(yīng)力趨于平衡;工作面推進(jìn)5,10,20,30 m時(shí)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(kāi)采過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)工作面120～180m處及下端頭的支護(hù)。從圖5(b)可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)達(dá)到25 m時(shí),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(dá)到最大下沉量,分別為8.8,11.9和13.0cm;下沉量相對(duì)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(kāi)采擾動(dòng)較小,但由于下端頭存在較大的集中應(yīng)力,且機(jī)運(yùn)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(jìn)的擾動(dòng)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(dāng)煤巖出現(xiàn)塑性變形時(shí),其承載能力將大大削弱,導(dǎo)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(jìn)過(guò)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(kāi)采過(guò)程中,工作面上部圍巖主要以拉破壞為主;推進(jìn)5m時(shí),開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)頂板的影響相對(duì)較小,因而塑性變形也相應(yīng)較小,而當(dāng)工作面推進(jìn)超過(guò)10m時(shí),頂部圍巖受開(kāi)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(gè)工作面上方,此時(shí)塑性變形主要集中在整個(gè)直接頂以及老頂下部,當(dāng)工作面推進(jìn)30m時(shí),工作面上部破壞范圍已延伸至老頂中部,整體呈非對(duì)稱(chēng)的馬鞍形分布。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

在工作面布置多點(diǎn)位移計(jì),連續(xù)觀測(cè)開(kāi)采過(guò)程中頂板下沉情況,同時(shí)利用單體支柱觀測(cè)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(chǎng)垂直應(yīng)力、頂板下沉量監(jiān)測(cè)

切眼開(kāi)挖后,每隔3d觀測(cè)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(shí)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(dá)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(dá)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(chǎng)實(shí)際情況相吻合,所反映出的規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中的規(guī)律一致,可以作為清水營(yíng)煤礦大采高開(kāi)采工作面運(yùn)移規(guī)律的研究依據(jù)。

5 結(jié) 論

以清水營(yíng)煤礦大采高工作面為例,通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:

(1)開(kāi)采對(duì)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(duì)稱(chēng)馬鞍形態(tài),推進(jìn)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(dá)到14MPa,應(yīng)加強(qiáng)此區(qū)段的支護(hù),工作面上、下端頭有應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此工作面推進(jìn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)兩個(gè)端頭的支護(hù)強(qiáng)度,特別是加強(qiáng)機(jī)巷的支護(hù);

(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(kāi)采擾動(dòng)對(duì)頂板影響達(dá)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(hù)時(shí),錨索長(zhǎng)度至少為8m,在破壞嚴(yán)重的區(qū)域可適當(dāng)加長(zhǎng)。

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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(zāi)害預(yù)報(bào)研究,Email:lvzhaohai1001@yahoo.cn。