大采高采場頂板運(yùn)移破斷特征的數(shù)值模擬研究

高士敬

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 洪洞晉圣榮康煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

大采高采場采動(dòng)引起的覆巖運(yùn)移破斷規(guī)律較為復(fù)雜,工作面推進(jìn)過程中覆巖三帶的范圍也在不斷變化之中[1-2]。與普通采高采場相比,大采高工作面開采過程中關(guān)鍵層的變形更為劇烈。王貴虎等[3]認(rèn)為大采高采場開采過程中老頂來壓步距更大,工作面推進(jìn)過程中覆巖發(fā)生局部垮落失穩(wěn)的顯現(xiàn)更為嚴(yán)重,采場支架更容易受到?jīng)_擊載荷的作用;武建國等[4]認(rèn)為大采高采場采空區(qū)范圍較大,應(yīng)力分布較為復(fù)雜,覆巖垮落失穩(wěn)和煤壁失穩(wěn)破壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重。弓培林等[5]認(rèn)為當(dāng)開采高度較大且關(guān)鍵層變形較為明顯時(shí),斷裂帶范圍擴(kuò)大,高度增加;大采高開采厚煤層形成的覆巖斷裂帶高度要大于分層開采厚煤層形成的斷裂帶高度。黃慶享等[6]將大采高采場覆巖根據(jù)其運(yùn)移特征分為冒落帶和裂隙發(fā)育帶,這與普通采高采場覆巖的劃分是不同的。但煤層以及圍巖的性狀隨著礦井地質(zhì)條件的改變而改變,而且國家對礦井安全生產(chǎn)的重視程度在日益提高,故對大采高采場的安全開采與圍巖控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為探討大采高采場的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度特征,本文采用數(shù)值模擬軟件研究大采高工作面開采過程中頂板圍巖的運(yùn)移變形與破斷失穩(wěn)規(guī)律。

1 離散元法介紹

地層中賦存的煤層在長期的地質(zhì)作用下表現(xiàn)為顯著非連續(xù)性,各個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)差異明顯,同時(shí)其它巖層內(nèi)部同樣發(fā)育規(guī)模不等、方向各異的裂隙。故在模擬地層中各個(gè)巖層的變形以及穩(wěn)定性等特征時(shí),需要將其視為非連續(xù)介質(zhì)[7]。

離散元法在分析非連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)移和破斷等規(guī)律時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢,在礦井開采以及邊坡穩(wěn)定性等研究中應(yīng)用廣泛。該方法研究的對象為非連續(xù)的離散塊體,充分考慮到了巖體內(nèi)部發(fā)育的裂隙,在每個(gè)模擬單元中考慮到節(jié)理面的影響,離散塊體可以是彈性塊體,也可以是剛性塊體,模擬過程中彈性塊體的塊度和形狀均可能變化,而剛性塊體的塊度和形狀均不會變化。離散元模擬基于的物理方程[8]。

Fn=Knδn

ΔFn=KnΔδn

(1)

式中:b為接觸塊體間發(fā)育的裂隙寬度,m;l為兩個(gè)塊體接觸面的邊長,m。

(2)

其中:

(3)

式中:M為離散塊體的力矩,N·m;m為離散塊體的質(zhì)量，kg。

2 模型建立

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前,需要現(xiàn)場考察大采高工作面煤層的地質(zhì)概況和構(gòu)造應(yīng)力水平,得到煤層底板以及覆巖的力學(xué)特征,進(jìn)而建立與現(xiàn)場實(shí)際盡量相符的模擬模型,具體如表1所示。煤層厚度較大,平均為5.5 m,傾角較小,采用大采高一次采全厚,賦存于井田的中東部,可采范圍呈北東展布,于井田中部,煤厚變異系數(shù)為92%,結(jié)構(gòu)較為簡單,一般含1～2層夾矸。在可采工作面范圍內(nèi),陷落柱、斷層等構(gòu)造對工作面開采的影響極小。所建模型中,煤層位置、底板、亞關(guān)鍵層以及主關(guān)鍵層位置網(wǎng)格劃分較為密實(shí),如圖1所示。該模型兩側(cè)和底部施加固支約束,分別約束水平和豎直方向的位移,上表面施加均布載荷。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Model grid division

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

3 采場覆巖運(yùn)移破斷特征分析

3.1 采場覆巖破斷特征分析

通過數(shù)值模擬可以得到工作面不同推進(jìn)距離下覆巖運(yùn)移變形、破斷以及冒落情況。本次對工作面推進(jìn)60 m和220 m距離下的覆巖運(yùn)移破斷特征進(jìn)行具體研究。

在圖2中,采場上部發(fā)生離層現(xiàn)象的巖層向更高層位擴(kuò)展,亞關(guān)鍵層的變形達(dá)到其極限值而發(fā)生部分破斷,破斷巖塊之間相互擠壓而不垮落,較大部分的亞關(guān)鍵層懸露而未垮斷,同時(shí)在采空區(qū)兩側(cè)和中部位置巖層裂隙發(fā)育顯著;該巖層上部覆巖下沉量隨之增大,與主關(guān)鍵層之間產(chǎn)生輕微的離層現(xiàn)象。在該推進(jìn)距離下,實(shí)體煤位置和采空區(qū)一側(cè)覆巖垮落角分別為55°和50°,此時(shí)亞關(guān)鍵層發(fā)生初次垮落。

2-a 破斷特征

2-b 變形特征圖2 工作面推進(jìn)距離為60 m時(shí)覆巖運(yùn)移破斷示意圖Fig.2 Movement and fracture of overlying strata at 60 m advancing distance of working face

在圖3中,工作面開采結(jié)束,采場采動(dòng)對覆巖運(yùn)移破斷的影響效果十分顯著,整個(gè)采空區(qū)上部巖層內(nèi)部裂隙大量拓展貫通,此時(shí)采場上部三帶劃分如下:亞關(guān)鍵層下部巖層屬于冒落帶,亞關(guān)鍵層上部到主關(guān)鍵層屬于裂隙發(fā)育帶,主關(guān)鍵層上部巖層屬于彎曲變形帶;其中,裂隙發(fā)育帶的高度最大,冒落帶的高度最小。

3-a 破斷特征

3-b 變形特征圖3 工作面推進(jìn)距離為220 m時(shí)覆巖運(yùn)移破斷示意圖Fig.3 Movement and fracture of overlying strata at 220 m advancing distance of working face

在整個(gè)模擬過程中,從工作面開采推進(jìn)到回采結(jié)束,采場上部亞關(guān)鍵層共發(fā)生9次周期來壓,每次來壓步距并不相等,而主關(guān)鍵層共發(fā)生兩次周期性的破斷失穩(wěn),如表2所示。

表2 8303工作面開采過程中采場來壓情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Weighting of mining field in the mining process of 8303 working face

工作面從切眼推進(jìn)到推進(jìn)工作完成,覆巖經(jīng)歷了一系列運(yùn)移變形過程,具體表現(xiàn)為:在覆巖垮落角方向上巖體內(nèi)部裂隙表現(xiàn)為發(fā)育、拓展拓寬、貫通以及穩(wěn)定不變的演變過程;采空區(qū)上部巖層中間位置的裂隙可能受到圍巖擠壓力的作用,也可能受到張拉力的作用,故裂隙在形態(tài)上可能表現(xiàn)為閉合,可能表現(xiàn)擴(kuò)寬。采場上部三帶的高度受關(guān)鍵層穩(wěn)定性的影響較大,而關(guān)鍵層的穩(wěn)態(tài)隨著工作面的開采而變化。

3.2 覆巖主、亞關(guān)鍵層的運(yùn)移特征分析

在模型計(jì)算過程中,還對亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層的變形情況進(jìn)行了監(jiān)測,如圖4和5所示。

從圖4中可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)距離在76 m以下時(shí),巖層變形量較小;當(dāng)推進(jìn)距離為76 m時(shí),巖層最大變形量從3 mm陡增到了49 mm;工作面繼續(xù)向前推進(jìn),巖層最大變形量保持在49 mm不變。究其原因,當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到76 m時(shí),采場上部亞關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)的范圍較大,采場第一次周期來壓,來壓較為明顯,采空區(qū)堆積矸石較為密實(shí),對破斷的亞關(guān)鍵層具有顯著的支撐作用。

由于工作面推進(jìn)距離為104 m時(shí)主關(guān)鍵層發(fā)生破斷失穩(wěn),故圖5對工作面推進(jìn)距離在104 m之后的主關(guān)鍵層變形情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從圖5中可以看出,同等推進(jìn)距離下,主關(guān)鍵層的變形量和變形范圍均要小于亞關(guān)鍵層。主關(guān)鍵層的最大變形量隨著工作面的不斷開挖而增大,工作面推進(jìn)距離從104 m增大到200 m的過程中,巖層最大變形量從24 mm增大到了42.5 mm?？傮w上,工作面開采過程中主關(guān)鍵層變形較為連續(xù)和均勻,當(dāng)關(guān)鍵層從穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)槠茢嗍Х€(wěn)時(shí),其變形量陡增。

圖4 工作面不同推進(jìn)距離下亞關(guān)鍵層變形示意圖Fig.4 Sub-key strata deformation of working face with different advancing distance

圖5 工作面不同推進(jìn)距離下主關(guān)鍵層變形示意圖Fig.5 Main key strata deformation of working face with different advancing distance

4 開采高度對覆巖運(yùn)移破斷特征的影響

此次模擬過程中選擇大采高采場煤層厚度為5.5 m,在井田范圍內(nèi)煤層的賦存厚度不是一成不變的,通過研究工作面開采高度對覆巖運(yùn)移破斷的影響可得到工作面推進(jìn)過程中覆巖的結(jié)構(gòu)特征,從而為大采高采場的安全開采奠定一定基礎(chǔ)。

從圖6中可以看出,當(dāng)大采高采場開采高度達(dá)到15 m時(shí),采場上部亞關(guān)鍵層失穩(wěn)破斷形成的塊體無法擠壓鉸接,直接垮落在采空區(qū);同時(shí)由于主關(guān)鍵層下方可自由運(yùn)移的空間較大,故該巖層破斷失穩(wěn)后也會直接冒落。綜合對比采高為5.5 m和15 m可得,采高越大,覆巖整體的運(yùn)移變形越劇烈,采場覆巖穩(wěn)定性越難控制。

6-a 開始推進(jìn)

6-a 80 m

6-c 120 m圖6 15 m開采高度下覆巖運(yùn)移破斷示意圖Fig.6 Movement and fracture of overlying strata at 15m mining height

5 結(jié)論

1)工作面開采結(jié)束,整采空區(qū)上部巖層內(nèi)部裂隙大量拓展貫通,此時(shí)采場上部三帶劃分如下:亞關(guān)鍵層下部巖層屬于冒落帶,亞關(guān)鍵層上部到主關(guān)鍵層屬于裂隙發(fā)育帶,主關(guān)鍵層上部巖層屬于彎曲變形帶。

2)工作面開采過程中主關(guān)鍵層變形較為連續(xù)和均勻,當(dāng)關(guān)鍵層從穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)槠茢嗍Х€(wěn)時(shí),其變形量陡增。

3)工作面開采高度和關(guān)鍵層數(shù)量對覆巖運(yùn)移變形以及穩(wěn)定性的影響效果顯著。數(shù)值模擬結(jié)果顯示忻州窯礦8303大采高采場初次來壓步距為60 m,工作面從切眼推進(jìn)到推進(jìn)工作完成,共發(fā)生9次周期來壓,來壓步距在12 m～19 m之間變化。