基于FLAC3D的分層開采再生頂板裂隙控制效果分析*

陳 健，魯 義,2，于順才，丁仰衛，李 亮，任英勇

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201；3.山東魯泰控股集團有限公司 鹿洼煤礦，山東 濟寧 272350；4.吉利百礦集團百色雙田礦業有限公司 州景煤礦，廣西 百色 531500)

0 引言

煤炭作為能源消費結構中的主體[1]，在過去的較長時間段內被高強度開采，并且因此前的技術原因，大量優質煤炭資源被遺留浪費，如今為了提高煤炭利用率，同時延長礦井的服務年限，對這些遺留的煤炭資源進行了重新開采[2-3]。在復采過程中，原煤層采出后冒落的頂板巖塊經壓實膠結形成低強度的再生頂板[4]，此種頂板不僅漏風裂隙多、強度差，而且含煤量高，易被巷道風流氧化自燃從而導致礦井火災甚至引發瓦斯爆炸[5-7]。因此，再生頂板的防護與控制是煤炭行業當前的熱點問題之一。

再生頂板由于形成機理的特殊性，導致其承載能力較差[8]，余明高等[9]利用FLAC3D軟件研究了補連塔礦回采各階段的覆巖與塑性區變化發現，覆巖裂隙有貫通地表的風險，增加了采空區煤自燃的可能性，并且強度差的覆巖垮落高度顯著超過堅硬覆巖；宋學峰等[10]利用3DEC研究復采時再生頂板中的弱膠結巖破壞機理時發現，巖梁破壞前將形成三鉸拱結構，并逐漸在巖塊膠結面出現開裂、滑移從而誘發失穩垮落。綜上表明，天然的支護條件對維持巷道自穩尤其是覆巖破碎的再生頂板巷道是更加困難的。王平等[11]提出的“護底、固幫、控底”軟弱圍巖控制原理與“三支一體”體系滿足了州景煤礦再生頂板的各階段穩定性要求；郝登云等[12]采用錨桿錨索支護不連溝煤礦發現，頂板離層量在巷道圍巖暴露后，隨時間推移緩慢增加并逐漸趨于穩定。而裂隙貫通的再生頂板含煤量高，使用錨固支護不易阻止上覆采空區的遺煤自燃；楊勝強等[13]結合陽泉礦區近距離上覆巖層冒落特點與通風方式研究了煤巖裂隙發育誘導采空區漏風規律及自燃特征；劉雷政[14]對淺埋藏近距離煤層群二次開采條件下的覆巖裂隙發育特征及漏風規律進行了研究，并對上覆采空區煤自燃危險區域進行了判定。

通過前人對再生頂板的研究可以發現，再生頂板的防控應從加固頂板減少裂隙漏風與上覆碎煤自燃防治2方面著手，目前國內外一般采用灌注膠結材料的方法，既可以加固頂板封堵裂隙又可以阻止遺煤自燃，常用的材料有：水泥漿[15]、環氧樹脂類[16]、泡沫體防滅火材料[17-19]等，但先前的材料在分子大小、流動性、成本以及泡沫穩定性方面均存在一定的缺陷，因此本文制備1種流動性能好、泡沫穩定性強的納米級無機灌漿材料具有重要的現實意義。

1 工作面概況

廣西右江礦務局州景煤礦5304工作面煤層為五煤，有3個分層，走向是南西-北東，傾向為北西-南東，平均傾角為6°左右，煤層厚度0.5～3.5 m。其中，四煤與五煤三層層間距在5～15 m，分為五煤一、五煤二、五煤三，工作面煤層賦存情況穩定，自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自然發火煤層。5304回風巷回采工作面頂板采用全部垮落法管理頂板，由五煤和四煤形成的再生頂板，地質條件穩定，但在多年采掘活動影響下局部出現小的地質變化，如褶皺現象，對回采工作面影響甚微，在其再生頂板巖層特性見表1。

表1 再生頂板巖層特性Table 1 Characteristics of regenerated roof strata

2 模型構建

2.1 物理模型

根據表1的再生頂板巖層特性可知，州景煤礦5304回風巷回采工作面頂板圍巖軟弱破碎，主要由炭質泥巖、炭質頁巖以及破碎煤體構成，其再生頂板混合巖體的平均密度、強度較低，再生頂板處理前后及其混合巖體的基本參數見表2～3。

表2 再生頂板混合巖體的基本參數Table 2 Basic parameters of regenerated roof mixed rock mass

表3 處理前后再生頂板力學參數Table 3 Mechanics parameters of regenerated roof after treatment

FLAC3D是在連續介質基礎上的有限差分法數值模擬軟件，而力的傳播必須基于連續介質，因此，對于州景煤礦5304回風巷回采工作面再生頂板的分析以及巷道圍巖壓力分布規律的探究可采用FLAC3D進行模擬，其中模型長×高×寬=150 m×150 m×150 m，巷道截面為梯形，巷道高度2.5 m，上寬2.8 m，下寬3.6 m，數值模擬的邊界條件為模型前、后和左、右位移為0，頂面受上覆巖層地應力作用，根據地質構造條件，此巖體為未經受構造作用的深部巖體，側壓系數K0=1/3，巷道經開挖之后的模型及網格劃分如圖1所示，其中網格總數共為307 800 個，在巷道位置進行網格局部加密。

圖1 5304回采工作面回風巷模型Fig.1 Model of air return roadway of No.5304 working face

2.2 模擬結果

2.2.1 應力變化

根據上述條件對5304工作面回風巷進行有無納米漿泡材料注漿膠結巷道的2種情況進行數值模擬，其圍巖應力的重新分布結果如圖2所示。

圖2 圍巖應力分布情況Fig.2 Stress distribution of surrounding rock

根據圖2(a)可以發現，在頂板與底板位置，圍巖壓力顯著減小，存在明顯的卸載作用，由此說明再生頂板的自穩能力不足，因此，對巷道頂板需要一定的支護，以此輔助控制頂板，這與現場的調研結果相符合，垂直應力在巷道兩幫的圍巖中出現應力集中現象，壓力峰值達到4.52 MPa；由圖2(b)可知，巷道頂底板周邊的圍巖應力并沒有因巷道的開挖而存在應力減小的趨勢，說明膠結后的再生頂板可以滿足支撐的要求，此外，應力集中的位置仍在兩幫，最大應力達到4.2 MPa，相比于無控制措施的再生頂板明顯減小。

2.2.2 位移變化

由于模型較大，其網格數量較多，因此無法對巷道周圍的具體情況進行研究，故在巷道頂板、底板以及兩幫的中心圍巖位置選取4個監測點，監測點位置分別為(75，0，27.5)、(75，0，25)、(73，0，26)、(77，0，26)，以此進行實時的位移監測，其結果如圖3所示。

圖3 頂底板位移變化Fig.3 Top and bottom plate displacement changes

根據圖3(a)可看出，巷道頂板下沉量明顯，頂板最大位移達到2.75 m，最終導致整個巷道垮塌，相對而言，底板出現底鼓現象較輕，僅為0.057 m；根據圖3(b)可以發現，在使用納米漿泡材料對巷道周邊的煤巖體進行膠結后，巷道頂底板的位移出現同步下沉變化的趨勢，最大位移不足0.2 m，對巷道整體影響不大。

依據圖4(a)可以發現，兩幫在不進行外界的控制措施時呈“對稱式收縮”的現象較為顯著，其兩幫各自收縮量可達0.2 m；依據圖4(b)可以表明，在使用納米漿泡材料膠結后，雖然兩幫出現應力集中現象，但兩幫的位移變化量極小，不足0.000 8 m，處于正常的形變現象。

圖4 兩幫圍巖位移變化Fig.4 Changes in displacement of two surrounding rocks

2.3 孔隙率變化

為從微觀角度刻畫圍巖與頂板的變化，引入孔隙率的變化來表征頂板及其圍巖變形冪級數展開式[20]如式(1)～(2)所示：

(1)

ε=Δh/h

(2)

式中：t為時間步數；dε/dt為蠕變率；ai為多項式函數的系數；i，m為自然數；n為孔隙率；ε為蠕應變；h,Δh分別為頂板初始高度與壓縮量，m。

在正常情況下，煤巖體孔隙率一般不高于30 %，因此根據高階無窮小的性質可簡化式(1)為式(3)：

dε/dt=a0+a1n+a2n2

(3)

在未進行巷道開挖擾動前，圍巖的應變率為0，故在初始狀態時，則有式(4)：

a0+a1n0+a2n02=0

(4)

在巷道開挖后，圍巖漸于穩定，不再發生蠕變，穩定時的孔隙率nk則有式(5)：

a0+a1nk+a2nk2=0

(5)

使用阿基米德原理測量州景煤礦5304工作面再生頂板巖體孔隙率，得式(6)：

n0=0.11,nk=0.32

(6)

由表1可知再生頂板厚度為17 m，對圖3與圖4中無納米漿泡材料注漿膠結巷道的情況下巷道頂板、底板以及下幫、上幫位移變化進行擬合，并求導可得蠕變率分別為式(7)：

(7)

根據式(7)與圖3、圖4可以看出，在無控制措施時，頂板的蠕變率最大，則頂板的孔隙率變化也最為明顯，危險性最大，故依據式(3)～(7)可知此種情況下的頂板孔隙率變化函數為式(8)：

(8)

由式(8)可以看出，孔隙率的最小值為0.215，不符合初始孔隙率測量值為0.11，因此，需要對式(8)進行修正，如式(9)所示：

(9)

從圖5可以看出，孔隙率的變化并不是隨時間的推移而逐漸增加，在時步到3 000之前，孔隙率逐漸增大，但增長速率漸小，當時步達到3 000 步時，孔隙率最大，達到0.4，在3 000～5 000 步時，孔隙率開始降低，與位移變化存在明顯區別，這是因為在擾動作用下，前期孔隙發育導致頂板持續蠕變，當孔隙發育到峰值時，地應力又會將松散頂板進行壓實，這時頂板孔隙率會降低，而蠕變在地應力的作用下會持續進行，和孔隙率變化存在異步延遲的現象。

圖5 無控制措施下孔隙率變化Fig.5 Porosity change without control measures

針對圖3與圖4中納米漿泡材料注漿膠結巷道的情況下巷道頂板、底板以及下幫、上幫位移變化進行擬合并求導可得蠕變率分別為式(10)：

(10)

使用納米漿泡材料膠結的頂板，對頂板裂隙具有封堵的效果，其初始孔隙率近似為0，穩定狀態的孔隙率為0.13，則此種情況下的頂板孔隙率變化函數為式(11)：

(11)

從圖6可以看出，納米漿泡材料膠結后再生頂板孔隙率先減小后增大，其變化幅度小。這是因為膠結后再生頂板的強度足夠支撐上覆巖層的負重，所以巖石在荷載作用下發生彈性變形，并且在膠結后，原破碎的頂板被逐漸壓實，孔隙率逐漸減小，在達到最小值后，頂板開始逐漸恢復變形，所以此時孔隙率逐漸變大。

圖6 注漿膠結下孔隙率變化Fig.6 Change of porosity under grouting and cementation

依據圖7可以發現在使用納米漿泡材料后，采空區與工作面CO發生明顯下降，采空區也不再有O2滲入，可以說明納米漿泡材料已注入采空區以及再生頂板的煤巖裂隙中，使用納米漿泡材料可以封堵頂板的原有裂隙，減小初始孔隙率，達到從根本上解決裂隙演化的問題，避免裂隙漏風誘發的頂板甚至采空區遺煤自燃問題。

圖7 采空區與工作面煤自燃指標氣體濃度Fig.7 Coal spontaneous combustion index gas concentration in goaf and nining face

依據圖7可以看出，在4月28日對州景煤礦5304工作面的再生頂板注入納米漿泡材料后，采空區與工作面CO發生明顯下降，采空區也不再有O2滲入，尤其是工作面的CO體積分數從起始約200×10-6急劇下降至24×10-6以下，符合作業環境標準，對后期執行掘進工作有顯著的促進作用，同時指標氣體的下降也表明納米漿泡材料已注入采空區以及再生頂板的煤巖裂隙中，使用納米漿泡材料可以封堵頂板的原有裂隙，減小初始孔隙率，達到從根本上解決裂隙擴展問題，避免裂隙漏風誘發的頂板甚至采空區遺煤自燃。

3 結論

1)根據州景煤礦的現場工況使用FLAC3D數值模擬發現，在不采取任何控制措施的情況下，巷道頂底板位移大，極有可能會發生頂板垮塌事故且應力在兩幫集中，兩幫位移大，巷道斷面收縮率極大。

2)使用納米漿泡材料膠結處理后發現，巷道頂底板位移不明顯，僅有稍微的下沉，雖然兩幫仍為應力集中的區域，但兩幫位移極小，巷道斷面基本不發生收縮。

3)依據頂板蠕變與孔隙率之間的關系，引入冪函數進行理論推導發現，使用納米漿泡材料注漿膠結的再生頂板其孔隙率變化幅度小，孔隙演化不顯著，有利于提高頂板強度并解決再生頂板裂隙漏風問題，避免漏風導致頂板甚至采空區遺煤自燃。