綜放工作面不同放煤工序巖體破斷機理及數(shù)值模擬研究

霍瑜劍，田鵬州，付玲玲，魏勇齊

(河南省煤田地質(zhì)局一隊，河南 鄭州 450000)

1 前言

放頂煤是厚煤層高產(chǎn)高效開采的最有效方式之一[1-2]。放頂煤開采主要采取沿煤層的底板或煤層某一厚度范圍內(nèi)的底部布置一個采煤工作面，利用礦山壓力的作用或輔以松動爆破等方法，使頂煤破碎成散體后，由支架后方或上方的“放煤窗口”放出。放頂采煤法從80年代初首先由法國試驗成功以來，已經(jīng)成為開采5～20m厚煤層最可取的方法之一。但放頂煤開采時，會引起煤巖層大范圍移動，在采動和煤體瓦斯壓力耦合影響下，上覆巖層中采動裂隙場與原生裂隙場疊加，其時空演化規(guī)律極其復(fù)雜，瓦斯出現(xiàn)無序集聚、涌出[3-5]。在放煤過程中，支架上方頂煤和采空區(qū)之間的“空洞”常常構(gòu)成瓦斯的聚集區(qū)，在采動應(yīng)力的影響下，將導(dǎo)致瓦斯的集中涌出，當(dāng)涌出量較大使巷道瓦斯?jié)舛冗_到瓦斯爆炸極限時，將帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，在放頂煤開采時應(yīng)重點關(guān)注“空洞”區(qū)域瓦斯的濃度變化。而采用不同放煤工序放煤時，支架上方頂煤的采動應(yīng)力狀態(tài)及內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育情況存在很大差異，導(dǎo)致放煤過程中瓦斯的匯聚及涌出規(guī)律不同。此外，在煤層厚度不同時，“空洞”區(qū)域的大小、頂煤的采動應(yīng)力狀態(tài)及內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育情況也存在差異。因此，開展不同放煤工序條件下，頂煤煤巖體破壞機理及內(nèi)部裂隙演化規(guī)律的研究，對于避免放頂煤引起瓦斯爆炸、放煤方式及回采工藝的優(yōu)化具有重要的理論價值和工程指導(dǎo)意義[6-8]。

2 不同放煤工序采動力學(xué)理論

2.1 順序放煤

順序放煤工藝如圖1所示。

圖1 順序放煤工藝示意圖

順序放煤工藝即沿著回采工作面依次順序?qū)ι喜宽斆悍懦?，放煤順序依次?→2→…n→…。在順序采煤過程中，根據(jù)放煤前后煤層受力情況，推測放煤過程中煤層在采動過程中的受力變化趨勢或應(yīng)力集中系數(shù)，通過室內(nèi)模擬加載來研究放煤過程中煤巖的破壞演化過程。順序放煤過程中，前方煤層的受力分布特征如圖2所示。

圖2 順序開采上部煤層受力分布特征

順序放煤后煤柱所承受的煤柱荷載可近似按King公式進行計算，King認(rèn)為：在采空區(qū)前方煤壁內(nèi)有一恒定的剪切角θ(θ可取31°)，由剪切線所包絡(luò)的上覆巖層的重量則均由煤柱承擔(dān)，對于順序放煤，前方煤層放完后，遠端某處煤層的有效荷載示意圖如圖3所示。

圖3 順序放煤煤層有效載荷示意圖

圖3所示為放煤寬度B0<2Htanθ的情況(一般情況)，此時的煤層所受載荷P為

(1)

順序放煤工序下的應(yīng)力集中系數(shù)K為

(2)

式中：P——放煤①后，②煤層所受上覆巖層荷載；

θ——上覆巖層平均剪切角；

H——開采深度；

γ——上覆巖層加權(quán)密度；

B0——放煤寬度；

Bp——煤柱寬度。

2.2 間隔放煤

間隔放煤的放煤順序示意圖如圖4所示。

圖4 間隔放煤工藝示意圖

間隔放煤工藝即沿著回采工作面依次間隔對上部頂煤放出，如圖4所示的間隔放煤順序依次為n→n+2→n+4→…，然后n+1→n+3→…。在間隔采煤過程中，殘留煤層的應(yīng)力集中系數(shù)同樣按King假設(shè)計算，結(jié)合順序放煤的應(yīng)力集中系數(shù)，間隔放煤過程中，前方煤層的受力分布特征如圖5所示。

圖5 間隔放煤上部煤層受力分布特征

同順序放煤，煤柱所受荷載可按剪切線所包圍的上覆巖層的重量進行計算，間隔放煤煤柱所受荷載示意圖如圖6所示。

圖6 間隔放煤煤柱有效荷載示意圖

同順序放煤，對于放煤寬度B0<2Htanθ的情況下，此時②號煤層所受載荷P為

(3)

順序放煤工序下的應(yīng)力集中系數(shù)K′

(4)

式(4)中意義同式(2)。

根據(jù)順序開采及間隔開采的應(yīng)力集中系數(shù)K及K′，則可模擬放頂煤不同采煤工藝條件下煤巖破壞演化過程。

3 不同放煤工序采動力學(xué)分析

3.1 序放煤采動力學(xué)分析

順序放煤有限元模型如圖7所示。

圖7 順序放煤有限元模型

1)放第2塊煤

圖8 7m煤層頂煤應(yīng)力分布曲線及云圖(放第2塊煤)

從頂煤不同高度應(yīng)力分布曲線及應(yīng)力云圖可以看到，7m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第3塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為20.4MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.4MPa，下部煤巖的平均豎向約為20.0MPa；中部(Y=144m)處，第3塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為24.0MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.4MPa，中部煤巖的平均豎向約為22.7MPa；上部(Y=146m)處，煤巖的豎向應(yīng)力分布較為均一，且中間煤巖的豎向應(yīng)力較大，為20.1MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為16.9MPa，上部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為19.6MPa。

2)放第8塊煤

圖9 7m煤層頂煤應(yīng)力分布曲線及云圖(放第8塊煤)

從第8次順序放煤中，頂煤不同高度應(yīng)力分布曲線及應(yīng)力云圖可以看到，7m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第9塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為22.0MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.4MPa，下部煤巖的平均豎向約為20.0MPa；中部(Y=144m)處，第9塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為25.3MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.8MPa，中部煤巖的平均豎向約為22.7MPa；上部(Y=146m)處，頂煤中部豎向應(yīng)力較大且分布較為均一，為20.4MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為16.9MPa，上部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為19.6MPa。

3)放第14塊煤

從第14次順序放煤中，頂煤不同高度應(yīng)力分布曲線及應(yīng)力云圖可以看到，7m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第15塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為22.3MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.4MPa，下部煤巖的平均豎向約為19.5MPa；中部(Y=144m)處，第15塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為25.6MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.9MPa，中部煤巖的平均豎向約為22.4MPa；上部(Y=146m)處，頂煤中間煤塊豎向應(yīng)力較大且分布較為均一，為20.6MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為17.0MPa，上部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為19.6MPa。

3.2 間隔放煤采動力學(xué)分析

間隔放煤有限元模型如圖11所示。

圖11 7m厚煤巖間隔放煤有限元模型

1)放第2塊煤

從頂煤不同高度應(yīng)力分布曲線及應(yīng)力云圖可以看到，7m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第2塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為20.2MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.2MPa，下部煤巖的平均豎向約為19.8MPa；中部(Y=144m)處，第2塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為25.1MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.4MPa，中部煤巖的平均豎向約為22.7MPa；上部(Y=146m)處，第4塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為20.1MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為16.9MPa，上部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為19.8MPa。

圖12 7m煤層間隔放煤頂煤應(yīng)力分布曲線及云圖(放第2塊煤)

2)放第8塊煤

從頂煤不同高度應(yīng)力分布曲線及應(yīng)力云圖可以看到，7m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第12塊煤巖的豎向應(yīng)力最大為22.1MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小為18.3MPa，下部煤巖的平均豎向約為21.0MPa；中部(Y=144m)處，第12塊煤巖的豎向應(yīng)力最大為27.8MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小為18.8MPa，中部煤巖的平均豎向約為24.8MPa；上部(Y=146m)處，第12塊煤巖的豎向應(yīng)力最大為21.7MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小為17.0MPa，上部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為20.9MPa。

圖13 7m煤層間隔放煤頂煤應(yīng)力分布曲線及云圖(第8次放煤)

3)放第14塊煤

從頂煤不同高度應(yīng)力分布曲線及應(yīng)力云圖可以看到，7m厚煤層頂煤下部(Y=142m)處，第12塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為22.1MPa，第25塊煤巖應(yīng)力最小，為18.4MPa，下部煤巖的平均豎向約為21.0MPa；中部(Y=144m)處，第12塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為27.8MPa，第24塊煤巖應(yīng)力最小，為20.9MPa，中部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為24.9MPa；上部(Y=146m)處，第12塊煤巖的豎向應(yīng)力最大，為21.7MPa，第24塊煤巖應(yīng)力最小，為20.3MPa，上部煤巖的平均豎向應(yīng)力約為21.3MPa。

4 結(jié)論

(1)對于7m厚煤巖順序放煤，頂煤中部的豎向應(yīng)力值均大于煤巖上部和下部的豎向應(yīng)力。且在放第2、8、14塊煤時，頂煤下部和中部的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在臨空煤塊(分別為第3、9、15塊煤巖)上。

(2)7m煤層在間隔放煤過程中，在第一輪間隔放煤過程中，未放頂煤煤巖的應(yīng)力狀態(tài)與順序放煤較為接近；當(dāng)放完第一輪奇數(shù)號煤塊時，中部的應(yīng)力會變大到24.9MPa，而順序放煤煤層中部應(yīng)力約為22.4MPa，表明放煤方式對煤巖的應(yīng)力狀態(tài)存在較大影響。

(3)從兩種放煤方式的應(yīng)力狀態(tài)來看，在7m煤層的開采過程中，建議采用順序放煤，這樣能有效避免煤層中部發(fā)生嚴(yán)重破碎及內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)的貫通，從而減小瓦斯集中涌出的危險。

圖14 7m煤層間隔放煤頂煤應(yīng)力分布曲線及云圖(第14次放煤)