大采高采場頂板運移破斷特征的數值模擬研究

高士敬

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 洪洞晉圣榮康煤業有限公司，山西 臨汾 041000)

大采高采場采動引起的覆巖運移破斷規律較為復雜,工作面推進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鍵層的變形更為劇烈。王貴虎等[3]認為大采高采場開采過程中老頂來壓步距更大,工作面推進過程中覆巖發生局部垮落失穩的顯現更為嚴重,采場支架更容易受到沖擊載荷的作用;武建國等[4]認為大采高采場采空區范圍較大,應力分布較為復雜,覆巖垮落失穩和煤壁失穩破壞現象更為嚴重。弓培林等[5]認為當開采高度較大且關鍵層變形較為明顯時,斷裂帶范圍擴大,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其運移特征分為冒落帶和裂隙發育帶,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條件的改變而改變,而且國家對礦井安全生產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實意義。

為探討大采高采場的礦壓顯現強度特征,本文采用數值模擬軟件研究大采高工作面開采過程中頂板圍巖的運移變形與破斷失穩規律。

1 離散元法介紹

地層中賦存的煤層在長期的地質作用下表現為顯著非連續性,各個方向上的結構差異明顯,同時其它巖層內部同樣發育規模不等、方向各異的裂隙。故在模擬地層中各個巖層的變形以及穩定性等特征時,需要將其視為非連續介質[7]。

離散元法在分析非連續介質的運移和破斷等規律時具有獨特的優勢,在礦井開采以及邊坡穩定性等研究中應用廣泛。該方法研究的對象為非連續的離散塊體,充分考慮到了巖體內部發育的裂隙,在每個模擬單元中考慮到節理面的影響,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為接觸塊體間發育的裂隙寬度,m;l為兩個塊體接觸面的邊長,m。

(2)

其中:

(3)

式中:M為離散塊體的力矩,N·m;m為離散塊體的質量，kg。

2 模型建立

在進行數值模擬之前,需要現場考察大采高工作面煤層的地質概況和構造應力水平,得到煤層底板以及覆巖的力學特征,進而建立與現場實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,煤厚變異系數為92%,結構較為簡單,一般含1～2層夾矸。在可采工作面范圍內,陷落柱、斷層等構造對工作面開采的影響極小。所建模型中,煤層位置、底板、亞關鍵層以及主關鍵層位置網格劃分較為密實,如圖1所示。該模型兩側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 模型網格劃分示意圖Fig.1 Model grid division

表1 各巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of strata

3 采場覆巖運移破斷特征分析

3.1 采場覆巖破斷特征分析

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

在圖2中,采場上部發生離層現象的巖層向更高層位擴展,亞關鍵層的變形達到其極限值而發生部分破斷,破斷巖塊之間相互擠壓而不垮落,較大部分的亞關鍵層懸露而未垮斷,同時在采空區兩側和中部位置巖層裂隙發育顯著;該巖層上部覆巖下沉量隨之增大,與主關鍵層之間產生輕微的離層現象。在該推進距離下,實體煤位置和采空區一側覆巖垮落角分別為55°和50°,此時亞關鍵層發生初次垮落。

2-a 破斷特征

2-b 變形特征圖2 工作面推進距離為60 m時覆巖運移破斷示意圖Fig.2 Movement and fracture of overlying strata at 60 m advancing distance of working face

在圖3中,工作面開采結束,采場采動對覆巖運移破斷的影響效果十分顯著,整個采空區上部巖層內部裂隙大量拓展貫通,此時采場上部三帶劃分如下:亞關鍵層下部巖層屬于冒落帶,亞關鍵層上部到主關鍵層屬于裂隙發育帶,主關鍵層上部巖層屬于彎曲變形帶;其中,裂隙發育帶的高度最大,冒落帶的高度最小。

3-a 破斷特征

3-b 變形特征圖3 工作面推進距離為220 m時覆巖運移破斷示意圖Fig.3 Movement and fracture of overlying strata at 220 m advancing distance of working face

在整個模擬過程中,從工作面開采推進到回采結束,采場上部亞關鍵層共發生9次周期來壓,每次來壓步距并不相等,而主關鍵層共發生兩次周期性的破斷失穩,如表2所示。

表2 8303工作面開采過程中采場來壓情況統計表Table 2 Weighting of mining field in the mining process of 8303 working face

工作面從切眼推進到推進工作完成,覆巖經歷了一系列運移變形過程,具體表現為:在覆巖垮落角方向上巖體內部裂隙表現為發育、拓展拓寬、貫通以及穩定不變的演變過程;采空區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,故裂隙在形態上可能表現為閉合,可能表現擴寬。采場上部三帶的高度受關鍵層穩定性的影響較大,而關鍵層的穩態隨著工作面的開采而變化。

3.2 覆巖主、亞關鍵層的運移特征分析

在模型計算過程中,還對亞關鍵層和主關鍵層的變形情況進行了監測,如圖4和5所示。

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

由于工作面推進距離為104 m時主關鍵層發生破斷失穩,故圖5對工作面推進距離在104 m之后的主關鍵層變形情況進行了統計。從圖5中可以看出,同等推進距離下,主關鍵層的變形量和變形范圍均要小于亞關鍵層。主關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。總體上,工作面開采過程中主關鍵層變形較為連續和均勻,當關鍵層從穩定轉變為破斷失穩時,其變形量陡增。

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

圖5 工作面不同推進距離下主關鍵層變形示意圖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移破斷的影響可得到工作面推進過程中覆巖的結構特征,從而為大采高采場的安全開采奠定一定基礎。

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

6-a 開始推進

6-a 80 m

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

5 結論

1)工作面開采結束,整采空區上部巖層內部裂隙大量拓展貫通,此時采場上部三帶劃分如下:亞關鍵層下部巖層屬于冒落帶,亞關鍵層上部到主關鍵層屬于裂隙發育帶,主關鍵層上部巖層屬于彎曲變形帶。

2)工作面開采過程中主關鍵層變形較為連續和均勻,當關鍵層從穩定轉變為破斷失穩時,其變形量陡增。

3)工作面開采高度和關鍵層數量對覆巖運移變形以及穩定性的影響效果顯著。數值模擬結果顯示忻州窯礦8303大采高采場初次來壓步距為60 m,工作面從切眼推進到推進工作完成,共發生9次周期來壓,來壓步距在12 m～19 m之間變化。