數(shù)值分析近距離煤層開采覆巖破壞特征

馬正武，高玉良

（1.內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯010303；2.神東煤炭集團(tuán)寸草塔煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引 言

近距離煤層采用下行開采時(shí)，上層煤采動(dòng)導(dǎo)致覆巖的整體性和穩(wěn)定性遭到破壞，同時(shí)一定深度內(nèi)的底板巖層也會(huì)遭到破壞[1-5]；其中在上煤層開采后，遺留煤柱和采空區(qū)帶來(lái)的支承壓力影響下會(huì)產(chǎn)生和單層煤開采不同的覆巖移動(dòng)特征和規(guī)律，可能導(dǎo)致頂板漏、冒，支架壓死等情況。但目前對(duì)近距離煤層群的研究集中于下部煤層回采巷道的布置方式和支護(hù)方面[4]-[9]，而對(duì)近距離煤層群下位工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)破斷特征研究相對(duì)較少。由此，為了實(shí)現(xiàn)近距離煤層群的安全以及提高生產(chǎn)效率，有必要對(duì)近距離煤層群開采時(shí)覆巖應(yīng)力變化特征和破壞狀態(tài)進(jìn)行研究。

1 礦井概述

平朔井工一礦主采4#煤與9#煤，4#煤首采面14106埋深大致為204m～244m，走向長(zhǎng)度為2867m，傾向長(zhǎng)度為240m，煤層平均厚度為8.72m，頂板為巖性為中粒砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要成分為石英，平均厚6.50m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為4.11m。4#煤14106工作面下部，9#煤層首采19106工作面，9煤厚度為 7.52～11.24m，平均厚度為9.38m，傾角5°。煤層含夾矸2～4層，頂板為炭質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，埋深270～334m。工作面回采長(zhǎng)度為2767m，寬度為227m。19106主運(yùn)巷掘進(jìn)時(shí)遇斷層，從輔運(yùn)巷處掘腰巷繞過(guò)斷層繼續(xù)掘進(jìn)，兩工作面布置如圖1所示。

圖1 4#煤和9#煤首采面布置圖

2 采動(dòng)區(qū)底板破壞深度分析

回采期間工作面將會(huì)在順槽煤壁深處形成側(cè)向支撐壓力帶，當(dāng)工作面底板之上的支撐壓力超過(guò)了底板巖體的極限強(qiáng)度時(shí)，底板巖層逐漸發(fā)生塑性破壞，并最終相互貫通在一定區(qū)域內(nèi)，形成塑性破壞區(qū)，當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)后，底板塑性巖體將會(huì)由于卸壓作用由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)向采空區(qū)移動(dòng)并在底板形成節(jié)理、裂隙發(fā)育帶，

回采工作面底板最大破壞深度為：

式中：h1max為底板最大破壞深度，m；φ0為底板巖體內(nèi)摩擦角，°。

底板最大破壞深度至工作面水平距離為：

式中：Lb為底板最大破壞深度至工作面水平距離，m;La為煤壁屈服寬度，m。

依據(jù)14106工作面實(shí)際情況，式中內(nèi)摩擦角取值23°，工作面前方煤壁屈服寬度取值為15m，代入上式，求得井工一礦工作面底板最大破壞深度18.9m，底板最大破壞深度與工作面水平距離為8.1m。

3 數(shù)值模型的建立和分析

4#煤底板巖層的破壞情況通過(guò)Flac3D軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,依據(jù)礦方提供的相關(guān)實(shí)際地質(zhì)資料，建立數(shù)值模型，模型頂板厚度為60m，未模擬的巖層部分通過(guò)等效載荷替代，底板模擬60m，模型傾向長(zhǎng)度為280m，走向長(zhǎng)度為80m，煤層為近水平煤層。模型劃分單元數(shù)為332000以及328211個(gè)節(jié)點(diǎn)。位移的邊界條件為固定x和y的水平位移，z下邊界固定，上邊界處于自由狀態(tài)，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)巖層的物理力學(xué)參數(shù)

利用數(shù)值模擬軟件分析煤層開采時(shí)應(yīng)力及圍巖受力狀態(tài)，研究4#煤層回采期間應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 工作面不同推進(jìn)時(shí)期垂直應(yīng)力等值線圖

分析圖2（a）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)40m時(shí)，工作面前、后及兩側(cè)均有應(yīng)力集中帶形成，在煤壁前方9m處出現(xiàn)應(yīng)力峰值，其值為8MPa，集中系數(shù)為1.7，近似“拱狀”卸壓帶在頂板及底板形成，頂板卸壓高度約為8m，底板卸壓帶深度約為9m，側(cè)向應(yīng)力帶位于煤柱內(nèi)3.5m，應(yīng)力峰值為8.5MPa，集中系數(shù)約為1.7。

分析圖2（b）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)120m時(shí)，工作面應(yīng)力峰值在煤壁前方12m，應(yīng)力峰值為12MPa，集中系數(shù)為2.3，頂板的卸壓區(qū)域增大至26m，底板卸壓深度為23m，側(cè)向應(yīng)力峰值位于煤柱內(nèi)4m，應(yīng)力峰值為11MPa，集中系數(shù)約為2.2。

分析圖2（c）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)200m時(shí)，工作面的應(yīng)力峰值在煤壁前方14m，應(yīng)力峰值為12MPa，集中系數(shù)為2.3，頂板卸壓區(qū)域?yàn)?6m，底板卸壓深度為25m，側(cè)向應(yīng)力帶在煤柱內(nèi)4m，峰值為11MPa，集中系數(shù)約為2.2。

依據(jù)對(duì)9煤巷道在采動(dòng)影響下現(xiàn)場(chǎng)變形情況，4#煤工作面推進(jìn)120m后，9煤巷道變形趨于穩(wěn)定，應(yīng)力各項(xiàng)指標(biāo)不再變化。由此取工作面采空區(qū)120m處剖面分析近距離厚煤層下工作面所處應(yīng)力狀態(tài)，由圖2（c）可知采空區(qū)下方為卸壓區(qū)，越向下越趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)，直至21m時(shí)達(dá)到原巖應(yīng)力5MPa，可9煤所處應(yīng)力狀態(tài)為6MPa，高于原巖應(yīng)力，升高系數(shù)為1.2。

4 采動(dòng)影響區(qū)底板應(yīng)力監(jiān)測(cè)和破壞實(shí)測(cè)分析

通過(guò)KSE-III應(yīng)力計(jì)對(duì)4#煤支承壓力在底板中的傳播情況進(jìn)行研究，測(cè)站建立在19106輔運(yùn)巷，測(cè)站包含8臺(tái)煤體應(yīng)力傳感器，安裝時(shí)測(cè)站在水平方向超前14106工作面100m。測(cè)站內(nèi)各應(yīng)力傳感器伸入煤體內(nèi)長(zhǎng)度分別為 2m，3m，5m，7m，9m，11m，13m，15m，煤體應(yīng)力計(jì)安裝上之后實(shí)施加壓力，壓力值設(shè)定為初始原巖應(yīng)力值。在開采期間，每隔一段時(shí)間通過(guò)采集儀對(duì)測(cè)站的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選收集。圖3為所測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線。

圖3 采動(dòng)影響下底板巷道應(yīng)力變化曲線

結(jié)合模擬研究，模擬分析中應(yīng)力峰值大于實(shí)測(cè)值且位置比實(shí)測(cè)值的要更接近煤壁，主要是由于兩者分析所選位置不同。實(shí)測(cè)時(shí)鉆孔深入煤體最遠(yuǎn)為15m，而模擬研究主要為工作面中部，即深入煤體150m位置。模擬分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。

為實(shí)測(cè)4煤底板破壞情況，鉆孔窺視測(cè)站建在19106輔運(yùn)巷，鉆孔窺視4煤的底板，窺視鉆孔方向垂直9煤頂板，鉆孔深度25m，通過(guò)JL-IDOI(A)智能鉆孔電視成像儀觀測(cè)煤層頂板的破壞情況，14106工作面開采期間底板受采動(dòng)破壞較嚴(yán)重，底板巖體節(jié)理在持續(xù)載壓卸壓下高度發(fā)育，19106輔運(yùn)巷圍巖應(yīng)力與與14106工作面底板應(yīng)力相互疊加之后，最終形成貫穿裂隙，如圖4所示，將頂孔劃分為上中下三段進(jìn)行研究分析，探測(cè)鉆孔裂隙發(fā)育如圖5所示。

圖4 14106工作面底板應(yīng)力分布示意圖

圖5 裂隙發(fā)育段鉆孔圖像

煤巖體裂隙帶主要集中在0～5.7m區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)資料4煤底板巖層從上至下分別為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中粗砂巖、炭質(zhì)泥巖，共4層，煤層在回采時(shí)直接底強(qiáng)度不高易遭破壞，橫向裂隙逐漸發(fā)育為主要裂隙，并伴有部分縱向裂隙，中粗砂巖不但厚度大且強(qiáng)度高，平均厚度為15.9m，為底板的主體巖層對(duì)裂隙和節(jié)理向進(jìn)一步發(fā)育起到抑制作用，中粗砂巖下部主體巖層為炭質(zhì)泥巖，強(qiáng)度較低，很大程度上影響了回采期間縱向裂隙的發(fā)育。當(dāng)19106輔運(yùn)巷圍巖應(yīng)力和14106工作面底板應(yīng)力相互疊加，圍巖裂隙將會(huì)相互貫穿發(fā)育，并和14106底板縱向裂隙貫通，導(dǎo)致圍巖完整性降低。19106輔運(yùn)巷頂板在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)有大量淋水，主要是由于采動(dòng)影響下底板裂隙逐漸發(fā)育并相互貫穿形成導(dǎo)水縫隙。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)數(shù)值模擬分析了平朔煤田4、9煤層之間巖層受到采動(dòng)影響時(shí)，應(yīng)力分布狀態(tài)，通過(guò)實(shí)測(cè)底板應(yīng)力和模擬基本一致。

2）采用智能鉆孔電視成像儀，記錄了上煤層底板巖層破壞的情況，繼而推理出底板裂隙的發(fā)育狀況，分析了層間主要巖層在抑制底板裂隙向縱深發(fā)育時(shí)的重要作用。

3）最終可通過(guò)優(yōu)化采煤設(shè)備的選型、區(qū)段煤柱尺寸、巷道布置方式和巷道支護(hù)方式等開采關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了近距離厚煤層聯(lián)合開采的安全和高效生產(chǎn)。