采動區(qū)覆巖破壞擾動分析

王志光

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

工作面開采會對煤層產(chǎn)生擾動，其擾動效果直接表現(xiàn)為臨近煤層結(jié)構(gòu)的破壞，很容易造成坍塌、冒頂、瓦斯聚集等多種災(zāi)害，不利于礦井的安全生產(chǎn)。監(jiān)測掌握工作面開采后臨近煤層的應(yīng)力結(jié)構(gòu)變化規(guī)律對安全生產(chǎn)是極為必要的。現(xiàn)場監(jiān)測涉及到相關(guān)設(shè)備、測點技術(shù)等，相對復(fù)雜。故大多數(shù)學(xué)者通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面開采對臨近煤層的影響效果進(jìn)行分析研究。例如，宋紅軍[1]等人通過RFPA軟件對古書院礦15#煤層受采動影響后的裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了研究，為瓦斯治理提供了依據(jù)；羅伙根[2]等人通過UDEC模擬軟件研究了工作面開采深度對上覆巖層的離層空間動壓以及三帶裂隙高度的影響。

通過FLAC3D軟件對開灤集團(tuán)錢家營礦1622W工作面開采前后9#煤層下沉量以及兩側(cè)煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力變化的分布規(guī)律進(jìn)行研究，以期為上覆煤層的巷道布置及安全生產(chǎn)提供支持。

1 工作面概況

1622W回采工作面主要開采六采區(qū)的12-1煤層，其地面標(biāo)高為+13.3～+14.6 m，工作面標(biāo)高-470.0～-577.5 m，工作面長度116.8～188.1 m，平均長度175 m，走向長度1029.3 m。煤層平均厚度3.4 m，平均傾角16°。12-1煤層從上到下分別為炭質(zhì)泥巖，平均厚度2.6 m；粉砂巖，平均厚度18.25 m。

1692W回采工作面則主要開采9煤層[3]，其對應(yīng)的地面標(biāo)高+13.3～+14.6 m。工作面平均長度175 m，走向長度937.5 m。煤層平均厚度1.9 m，平均傾角16°。9煤層從上至下的巖石性質(zhì)為1.9 m的泥巖直接頂巖；3.1 m粉砂巖形成的老頂巖；4.8 m細(xì)砂巖構(gòu)成的直接底巖；9.0 m泥巖形成的老底巖。9煤上部為8煤層，8煤層平均厚度2.1 m；從上到下的巖性分別為2 m的粉砂巖，4.8 m的砂巖；6.6 m的粉砂巖。

2 數(shù)值計算模型

根據(jù)工作面地質(zhì)條件和煤巖條件[4-6]，建立以下模型進(jìn)行計算：模型范圍為413.5 m×740 m×230.8 m(長×寬×高)，單元網(wǎng)格數(shù)為375 254，節(jié)點數(shù)為385 950，如圖1所示。

圖1 工作面賦存情況及各巖層層位關(guān)系數(shù)值模擬計算

模型計算模型邊界條件確定如下：模型X、Y軸兩端加相同反向約束，保證位移為零；模型底部加固定約束，保證底部不發(fā)生變形；模型頂部為自由邊界。

計算模型邊界約束條件確定如下：模型X軸方向施加26.2 MPa的應(yīng)力；模型Z軸方向施加14.9 MPa的應(yīng)力；并設(shè)其載荷為自重載荷；模型Y軸方向施加10.2 MPa的應(yīng)力。

軟件模擬過程中所需要的各種性質(zhì)煤巖的物理力學(xué)參數(shù)[7]見表1。

表1 數(shù)值計算模型物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 上覆巖層在回采面開采前后的變形特征對比

上覆巖層受回采工作面擾動后沿傾向的沉降量等值線圖如圖2所示。1622W工作面的上覆煤層9煤層在開采擾動后平均沉降量為2.7 m。

圖2 沿傾向上覆巖層垂直位移剖面/m

圖3為上覆煤層9煤層在沿走向的沉降量等值線圖。由圖3可以看到，工作面回采之后形成的采空區(qū)中部下沉量最大，以采空區(qū)中部為中心，向四周射線方向的下沉量逐漸降低，整個9煤層的下沉量主要分布在2.6～2.7 m之間。

圖3 沿走向上覆巖層垂直位移剖面/m

1622W工作面開采后，采空區(qū)上方巖層下沉量較大，兩側(cè)煤柱區(qū)域下沉量在0.1～1.4 m范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 1622W工作面開采后上覆巖層下沉量/m

3.2 兩側(cè)煤柱受開采擾動后的垂直應(yīng)力變化特征

由圖5可看出，煤柱范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力值在開采前還較穩(wěn)定，最大為13.5 MPa，最小為13.0 MPa。隨著工作面的開采，工作面下端頭方向，最大垂直應(yīng)力值先是急劇升高而后逐漸降低，其最大垂直應(yīng)力為30.1 MPa，最小垂直應(yīng)力為15.3 MPa。

圖5 1622W工作面開采前后下區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力變化對比

圖6顯示了上區(qū)段煤柱范圍內(nèi)的應(yīng)力變化情況，由趨勢圖可以看出，工作面開采前，煤柱范圍內(nèi)所分布的垂直應(yīng)力較為穩(wěn)定，在11.4 ～11.7 MPa之間。工作面開采后，在受到擾動之后，工作面上端頭方向的最大垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，最大可達(dá)35.0 MPa，最小則為17.2 MPa。綜合來看，工作面開采擾動會使上覆煤層兩端的垂直應(yīng)力急劇增加，影響生產(chǎn)安全，因此在實際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)礦壓控制技術(shù)措施。

圖6 1622W工作面開采前后上區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力變化對比

3.3 9煤層上行開采巷道布置

根據(jù)上覆巖層在工作面開采后的變形量計算可知，上覆煤層的整體下沉形態(tài)呈現(xiàn)盆地形態(tài)。位于工作面采空區(qū)中部的上覆9煤層沉降量最大，為2.7 m。而在采空區(qū)煤柱附近的范圍內(nèi)，下沉量根據(jù)開采情況的不同會有較大的差異，例如在1622W工作面，回風(fēng)順槽至采空區(qū)方向9 m范圍、運輸順槽至采空區(qū)方向5 m范圍頂板下沉量變化較大，因此在9煤層進(jìn)行巷道掘進(jìn)時，應(yīng)盡量避開此位置，保證巷道工程的穩(wěn)定安全，如圖7所示。

圖7 1622W工作面開采對9煤層的影響

根據(jù)對上覆煤層應(yīng)力分布的計算[8-10]，可以發(fā)現(xiàn)，工作面煤壁往外10 m范圍內(nèi)會因為擾動的影響而出現(xiàn)應(yīng)力升高的現(xiàn)象。因此在布置9煤層回采巷道時，應(yīng)盡量避免將巷道布置于12-1煤層對應(yīng)煤柱10 m范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)1622W工作面開采高度為3.4 m。上覆9煤層下沉整體呈現(xiàn)盆地形態(tài)，工作面采空區(qū)中部沉降量最大為2.7 m。

(2)上覆9煤層的垂直應(yīng)力在1622W工作面開采后顯著降低，工作面頂板處的垂直應(yīng)力由12.3 MPa降低到0.16 MPa，降低程度達(dá)到了98.7%，對其他工作面有顯著的卸壓作用。

(3)煤柱范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力未受開采擾動前在11.4～13.5 MPa范圍內(nèi)，受擾動后，不同位置的應(yīng)力分布不同，運輸順槽處為30.1 MPa，回風(fēng)順槽處為35.0 MPa，表明工作面開采會導(dǎo)致煤柱處的垂直應(yīng)力大幅度增加。