特厚煤層堅硬頂板應(yīng)力演化及破斷規(guī)律數(shù)值模擬研究

董偉宏

（西山煤電白家莊礦第二項目部， 山西 太原 030022）

綜合機械化放頂煤開采方法促進(jìn)了特厚煤層堅硬頂板工作面的快速高效生產(chǎn)，但同時也造成特厚煤層綜放工作面的強礦壓顯現(xiàn)情況，這將會導(dǎo)致采空區(qū)懸頂面積大、難以垮落等問題，若采空區(qū)懸頂發(fā)生大面積垮落，則會引起工作面出現(xiàn)大面積來壓，最終造成工作面颶風(fēng)、支架壓死等危險情況，從而帶來難以挽回的生命財產(chǎn)損失[1-2]。因此，必須針對各個礦井的實際地質(zhì)條件，加強對特厚煤層堅硬頂板綜放工作面礦壓監(jiān)測，掌握工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為該類礦井實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 22203 綜放工作面概況

韓家洼煤業(yè)22203 綜放工作面開采22 號煤層，該煤層煤厚10.3～12.7 m，平均11.5 m，傾角范圍2°～8°，平均5°，平均埋藏深度200 m。工作面掘進(jìn)期間共揭露15 條正斷層，其中3 m 以上的7 條，3 m 以下的8 條。22 號煤層上覆為平均厚1.10 m 的泥巖偽頂，直接頂為平均厚3.00 m 的砂質(zhì)泥巖，老頂為平均厚30 m 的細(xì)砂巖。根據(jù)以往其他22 號煤層工作面開采情況，頂板的整體性和穩(wěn)定性好，細(xì)砂巖的抗拉強度為5.20 MPa，剪切模量為19.09 GPa，屬于堅硬頂板。采用兩巷布置方式，其中運輸順槽兼具進(jìn)風(fēng)功能，回風(fēng)順槽兼具軌道運料功能。采用單一走向長壁后退式低位放頂煤開采的采煤方法，推進(jìn)方向為由北向南沿煤層底板方向，采用全部垮落法管理頂板。

2 特厚煤層堅硬頂板綜放開采三維數(shù)值計算模型

根據(jù)22203 綜放工作面實際工程情況，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立如圖1 所示的三維數(shù)值計算模型。

圖1 三維數(shù)值計算模型

圖1 中模型的尺寸為300 m×150 m×60 m，含6層煤巖層，其上下左右及底部邊界設(shè)置為法向位移固定的形式，在頂部邊界設(shè)置5 MPa 的上覆巖層自重載荷，采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。表1 所示為各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計情況。

表1 各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計情況

在模擬綜放工作面推進(jìn)的過程中，為了更加真實地體現(xiàn)開采擾動對巖層力學(xué)性質(zhì)的影響，在數(shù)值計算的過程中嵌入了FISH 語言編寫的雙線性損傷計算的程序。損傷演化方程為：

式中：w 為巖石的損傷度；ε 為應(yīng)變；εf、εu為確定雙線性模型的兩個參量。

為了研究不同工程地質(zhì)因素對特厚煤層綜放工作面堅硬頂板應(yīng)力演化與破斷規(guī)律的影響，分別對軟頂、中硬頂、堅硬頂三種情況下頂板的初次來壓與周期來壓規(guī)律進(jìn)行分析研究。

3 初次來壓期間堅硬頂板應(yīng)力演化及破斷規(guī)律分析

根據(jù)巖石力學(xué)相關(guān)理論，可將最大、最小主應(yīng)力的差值Δσ 作為頂板巖層是否發(fā)生斷裂破壞的判別標(biāo)準(zhǔn)[3]。在未采用強制放頂措施條件下，工作面推進(jìn)不同長度時，煤層上覆頂板5 m 位置處的主應(yīng)力差的變化情況如下頁圖2 所示，圖2 中，Δσ0表示原始應(yīng)力條件下頂板巖層某一位置的主應(yīng)力差。

圖2 工作面推進(jìn)過程中煤層上方5 m 處頂板中主應(yīng)力差的變化曲線

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，工作面推進(jìn)一定長度時，在采空區(qū)的前、后方均有高應(yīng)力區(qū)域，但在其上方有低應(yīng)力區(qū)域。因此，在工作面的推進(jìn)過程當(dāng)中，頂板巖層中任意一點均會出現(xiàn)先增壓后卸壓的現(xiàn)象。在工作面不斷向前推進(jìn)的過程當(dāng)中，位于工作面煤壁前方頂板中高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力及其范圍也不斷增大，然而在工作面推進(jìn)長L 為60～70 m 時，位于工作面煤壁前方頂板中的高應(yīng)力區(qū)域會向其后方轉(zhuǎn)移。據(jù)此能夠得到，此時采場頂板會出現(xiàn)由其四周的“O”形斷裂變形延伸貫通到工作面長度方向的“X”形斷裂變形，此時老頂出現(xiàn)大面積破斷破壞，即老頂初期來壓。

改變頂板的黏聚力、內(nèi)摩擦角等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)來模擬軟頂、中硬、堅硬頂板，圖3—圖5 分別為不同頂板強度條件下工作面推進(jìn)不同距離時的垂直應(yīng)力分布云圖。

圖3 軟頂工作面推進(jìn)不同距離時的垂直應(yīng)力（Pa）分布

圖4 中硬頂工作面推進(jìn)不同距離時的垂直應(yīng)力（Pa）分布

圖5 堅硬頂工作面推進(jìn)不同距離時的垂直應(yīng)力（Pa）分布

通過圖3—圖5 可以得出，當(dāng)軟頂工作面推進(jìn)至L=20 m 時，老頂處已經(jīng)出現(xiàn)為零的垂直應(yīng)力，這說明此時老頂開始破壞，當(dāng)軟頂工作面推進(jìn)至L=30 m 時，采空區(qū)上方老頂大面積破壞；當(dāng)中硬頂工作面推進(jìn)至L=20 m 時，采空區(qū)上方直接頂與偽頂?shù)奈恢么怪睉?yīng)力為零，這說明直接頂與偽頂已經(jīng)垮落，當(dāng)中硬頂工作面推進(jìn)至L=40 m 之后，老頂垂直應(yīng)力為零，這說明老頂已經(jīng)開始垮落；當(dāng)堅硬頂工作面推進(jìn)至L=20 m時，采空區(qū)上方直接頂與偽頂已經(jīng)垮落，而在工作面推進(jìn)至L=60 m 后，老頂才出現(xiàn)大面積斷裂破壞。隨著頂板堅硬程度的減小，對上覆巖層的卸壓程度加大，頂板垮落越快。

4 周期來壓期間堅硬頂板應(yīng)力演化及破斷規(guī)律分析

為進(jìn)一步分析特厚煤層綜放工作面周期來壓期間堅硬頂板應(yīng)力演化及破斷規(guī)律，采用充填采空區(qū)的方法來近似地模擬頂板的初次破斷垮落后對采空區(qū)壓實作用的影響。依據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，取堅硬頂板初次來壓步距為70 m，當(dāng)工作面累計推進(jìn)距離達(dá)到頂板初期垮落步距時，對該推進(jìn)段采用弱材料進(jìn)行充填，以模擬采場頂板的初次垮落壓實情況。假設(shè)采空區(qū)充填弱材料為彈性材料，定義采空區(qū)壓實率η 為采空區(qū)充填弱材料彈性常數(shù)與頂板覆巖層彈性常數(shù)的比值，根據(jù)工程經(jīng)驗確定采空區(qū)壓實率為η。

如圖6 所示為工作面周期來壓時推進(jìn)L=100 m、L=130 m 的垂直應(yīng)力分布云圖。

圖6 工作面周期來壓垂直應(yīng)力（Pa）云圖

從圖6 中可以得出，當(dāng)工作面推進(jìn)至L=100 m時，工作面前方煤壁產(chǎn)生應(yīng)力集中顯現(xiàn)，采空區(qū)上方老頂中有垂直應(yīng)力為零的情況，這說明老頂開始垮落，此時老頂出現(xiàn)周期來壓；當(dāng)工作面推進(jìn)至L=120 m時，工作面前方煤壁產(chǎn)生應(yīng)力集中顯現(xiàn)，采空區(qū)上方老頂中有垂直應(yīng)力為零的情況，這說明老頂開始垮落，此時老頂也出現(xiàn)周期來壓。由此可以得出，工作面周期來壓步距約20 m。

如圖7 所示為不同頂板強度條件下，工作面推進(jìn)不同距離時的垂直應(yīng)力分布云圖。

圖7 不同頂板強度條件下工作面周期來壓時的垂直應(yīng)力（Pa）分布云圖

從圖7 中可以得出，當(dāng)軟頂工作面推進(jìn)至L=50 m時，老頂處已經(jīng)出現(xiàn)垂直應(yīng)力為零的情況，這說明此時老頂開始破壞；當(dāng)中硬頂工作面推進(jìn)至L=75 m 時，老頂垂直應(yīng)力為零，這說明老頂已經(jīng)開始垮落；當(dāng)堅硬頂工作面推進(jìn)至L=100 m 時，老頂才出現(xiàn)大面積破壞。因此，隨著頂板堅硬程度的減小，對上覆巖層的卸壓程度加大，頂板垮落越快。

5 結(jié)論

1）在堅硬頂板條件下，22203 綜放工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嗉s70 m，周期來壓步距約20 m。

2）通過對比軟頂、中硬頂、堅硬頂三種情況下的頂板應(yīng)力演化及破斷規(guī)律可以得出，在老頂初次來壓期間和周期來壓期間，隨著頂板堅硬程度的減小，對上覆巖層的卸壓程度加大，頂板垮落越快。

3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在堅硬頂板條件下，老頂初次來壓步距較大，易造成工作面颶風(fēng)等危險發(fā)生，必須采取人工強制放頂?shù)募夹g(shù)手段。