雙重上保護層疊加開采應力分布規律

秦 冰,葉棟林,石占山,1c,孫維吉,李 剛,張晉京

(1. 遼寧工程技術大學 a. 力學與工程學院;b. 礦業學院;c. 礦產資源開發利用技術及裝備研究院, 遼寧 阜新 123000;2. 中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司,河南 平頂山 467000)

保護層開采后,下伏煤巖體應力降低、采動裂隙發育、煤巖層透氣性增大,使煤層瓦斯解吸、運移[1-2],利于通過瓦斯抽采降低煤層瓦斯含量,在國內已有較成熟的應用。目前,針對保護層開采應力重分布規律已有大量研究。石必明等[3-4]研究了保護層開采上覆巖層的應力變化以及膨脹變形規律;施龍青等[5]和朱第植等[6]從工程力學角度出發,對巖石損傷及斷裂特征進行了大量的實驗,并結合工程實踐將釆場下伏煤巖體分為“四帶”;沈明榮等[7]分析了工作面回釆后采場底板及下覆煤巖體向釆場無應力區彈性恢復的過程;李樹清等[8]和袁志剛等[9]應用巖土力學數值計算軟件FLAC模擬了保護層的開采過程并給出卸壓角及保護效果影響參數;黃光利[10]運用COMSOL Multiphysics軟件的固氣耦合模型計算了煤礦上保護層開采的保護范圍;朱志潔等[11]開展了遠距離重疊開采條件下,煤柱集中應力影響下的強礦壓顯現機制,分析了煤柱對強礦壓顯現的影響機理;Gao等[12]通過數值計算分析了應力分布特征,并考慮了上覆煤柱的存在,同時揭示了采空區應力釋放與上覆煤柱應力集中對最終應力分布的共同影響;李楊等[13]開展了多煤層開采中,中間巖層對覆巖移動的影響機理研究,提出了上覆巖層與中間巖層厚度之比并不是控制覆巖移動的決定性因素;Yin等[14]研究考察了重慶地區煤樣在開采過程中應力路徑下的應力-應變-滲透率關系。康欽容等[15]利用自行研制的“多場耦合煤礦動力災害大型模擬試驗系統”,進行了三維采動應力條件下的三維模擬開采實驗,對多煤層卸壓采動后的底板巖層破壞規律進行了研究。

然而當前研究中大多考慮單一上保護開采工況[16-21],且以單一工作面為研究對象,忽略了上保護層多工作面布置時區段煤柱產生的應力集中對下被保護層卸壓的影響,及多重上保護層開采的卸壓增強效應。同時在保護層效果判定中,《AQ1050—2008保護層開采技術規范》[22]中給出,上保護層開采時對于緩傾斜煤層保護最大有效垂距為50 m,規范給出的保護有效距離是基于單一保護層開采提出的,對于多重上保護層疊加開采保護有效距離的評價未見相關規范指南,多重上保護層開采的卸壓效果需要具體分析。

雙重上保護層開采應力重分布不同于單一煤層開采。對于雙重上保護層開采工作面,不僅能夠對下方煤層進行雙重卸壓,而且在工作布置時能夠對雙重保護層內區段煤柱進行相互掩護,雙重卸壓規律及相互掩護對卸壓的影響有待進一步研究。因此筆者充分考慮了現場實際工況,以平煤八礦丁5-6煤層、戊9-10煤層、己15煤層組成的煤層群開采為工程背景,依據現場多煤層多工作面的實際采掘布置,建立了雙重上保護層多工作面開采數值計算模型,對雙重上保護層開采采動應力分布規律開展研究,進一步依據應力重分布規律給出被保護煤層的瓦斯治理措施及采掘布置計劃,達到瓦斯精準治理[23]的目標。

1 FLAC3D模型的建立及參數確定

1.1 模型的建立

平煤八礦為高瓦斯礦井,主要可采煤層有丁5-6、戊9-10、己15和己16-17煤層,本次研究重點區域為丁5-6、戊9-10、己15煤層組成的煤層群,其中丁5-6煤層和戊9-10煤層間距是70～90 m,戊9-10煤層和己15煤層間距平均約170 m,煤層傾角平均9°。研究區域丁5-6煤層布置有4個工作面,戊9-10煤層布置有2個工作面,且均已開采完畢。現階段擬開采己15煤層21030工作面。采區內丁5-6、戊9-10煤層的工作面走向相同,長短不一,在傾向上交錯布置。己15煤層21030工作面走向與丁5-6、戊9-10煤層工作面走向呈17°交角。擬分析丁5-6、戊9-10煤層雙重上保護層開采對己15煤層工作面應力分布的影響。各工作面空間位置如圖1所示。

圖1 工作面空間分布Fig. 1 Spatial distribution of working faces

根據平煤八礦確定的研究區域工作面布置情況,采用FLAC3D數值計算軟件,建立了等比例模型,模型尺寸為800 m(x)×1 400 m(y)×500 m(z)生成網格884 800個,節點913 680。丁5-6、戊9-10煤層間距選取80 m,戊9-10、己15煤層間距選取170 m。模型上表面距離地表約400 m,覆巖平均容重取20 kN/m3,上表面施加載荷為8 MPa。模擬煤層傾角為9°,采用摩爾-庫侖本構模型,模型前后、左右4個面約束其法向自由度,底面約束x、y、z3個方向自由度。建立的模型如圖2所示。

圖2 數值模型建立Fig. 2 Numerical modeling

1.2 計算參數及數值模擬設計方案

1.2.1 計算參數

依據現場取樣在實驗室進行的參數測試結果,并結合現有論文中關于平煤股份八礦煤巖物理力學參數測試結果[24-25],考慮巖層與巖石試件在應力換算中存在的尺度效應,依據數值模擬計算結果反演模擬計算采用的巖體力學參數如表1所示。

表1 數值計算巖體力學參數

1.2.2 數值模擬設計方案

開挖過程如下:①對丁5-6煤層工作面全部開采;②開挖后計算平衡,再進行戊9-10煤層工作面全部開采;③戊9-10煤層工作面開采后計算平衡,對己15煤層21030工作面進行分次開采模擬回采過程,工作面每次推進距離為100 m,每次推進后計算平衡,共計開采12次。

為獲取實際工作面布置條件下雙重上保護層開采應力分布規律,設計了5種方案進行對比。①丁5-6煤層開挖后,通過選取截面A-A分析丁5-6煤層單一工作面保護時,己15煤層應力分布規律。通過選取截面B-B分析丁5-6煤層多工作面共同保護時,己15煤層應力分布規律;②丁5-6、戊9-10煤層均開挖后,通過選取截面C-C分析戊9-10煤層單一工作面保護時,己15煤層應力分布規律。通過選取截面D-D分析丁5-6、戊9-10煤層多工作面交錯掩護布置共同保護時,己15煤層應力分布規律。通過選取截面E-E分析丁5-6、戊9-10煤層工作面未相互掩護共同保護時,己15煤層應力分布規律。截面布置如圖1(b)所示,通過多方案對比闡明雙重上保護層開采對被保護層應力分布的影響,如表2所示。

表2 模擬方案

2 雙重保護層疊加開采應力分布規律研究

2.1 單一保護層開采被保護層傾向應力分布規律

模型初始應力平衡后,選取了y=700 m截面即模型中部,給出各煤層工作面位置的初始應力分布狀態,如圖3所示。其中應力值為負值表示該位置受壓,反之受拉,卸壓值為卸壓后應力值與初始應力值之差。圖3中水平應力值方向對應圖1(a)中x軸所示的方向。圖3中標記了截面對應的工作面分布位置,圖中數字為各工作面名稱。

圖3 傾向y=700 m截面初始應力分布狀態Fig. 3 The initial stress distribution state of tendency y=700 m section

2.1.1 丁5-6煤層單獨保護己15煤層應力分布規律

為對比雙重保護層開采與單一煤層保護層開采應力分布的差異,開展了丁5-6煤層工作面單獨保護己15煤層時的應力分布規律研究。在丁5-6煤層工作面開挖后戊9-10煤層工作面未開挖前,丁5-6煤層對己15煤層存在兩種保護形式,分別為丁5-6單一工作面開采保護己15煤層(y=200 m截面);丁5-6多工作面開采保護己15煤層(y=500 m截面)。

1)丁5-6單一工作面保護己15煤層。如圖4所示,該截面為表2中方案1。丁5-6單一工作面開挖,戊9-10、己15煤層未開挖,丁5-6開挖工作面兩側煤柱發生應力集中現象,應力分布狀態如表3所示。單一工作面開挖后兩側為采區邊界煤柱,煤柱集中應力最大值為-19 MPa,應力集中傳遞至底板下方80 m。丁5-6保護下,己15煤層卸壓區域垂直應力值由-14～-16 MPa下降至-13～-15 MPa,下降1 MPa。由于單一保護層邊界煤柱集中應力傳遞范圍較大的影響,對己15煤層21030工作面布置位置卸壓作用不明顯。

圖4 丁5-6單一工作面保護己15工作面應力分布云圖(y=200 m截面)Fig. 4 The stress distribution nephogram of the single working face of D5-6protecting J15working face (y=200 m section)

表3 丁5-6單一工作面保護己15工作面應力分布

2)丁5-6多工作面保護己15煤層。如圖5所示,該截面為表2中方案2。丁5-6多工作面開挖,戊9-10、己15煤層未開挖,應力分布狀態如表4所示。丁5-6煤層工作面間的區段煤柱應力集中值增加為-39 MPa,應力值較大,但其向底板傳遞的距離較短,約為26 m。下方己15煤層工作面所在位置最大卸壓值2 MPa。由于丁5-6煤層多工作面開采,且己15煤層工作面不在邊界煤柱下方,己15煤層21030工作面位置卸壓值有所增加。

圖5 丁5-6多工作面保護己15工作面應力分布云圖(y=500 m截面)Fig. 5 The stress distribution nephogram of the multiple working faces of D5-6protecting J15working face (y=500 m section)

表4 丁5-6多工作面保護己15工作面應力分布

2.1.2 戊9-10煤層單獨保護己15煤層應力分布規律

如圖6所示,該截面為表2中方案3。丁5-6工作面開挖后對戊9-10工作面進行了開挖。由于戊9-10煤層工作面走向長度不同,該截面戊9-10煤層對應單一工作面,同時戊9-10煤層單一工作面左半部分上方有丁5-6工作面,丁5-6煤層工作面右側煤柱位于戊9-10煤層工作面采空區上方,戊9-10工作面左側煤柱位于丁5-6工作面采空區下方,使得區段煤柱應力集中現象減弱。戊9-10工作面右半部分形成單一煤層保護己15煤層工作面的條件,該保護區域內己15被保護層垂直應力由-14～-16 MPa卸載至-7.5～-12 MPa之間,如表5所示,右側單獨保護區域卸壓最大值為4 MPa。

圖6 戊9-10單一工作面保護己15工作面應力分布云圖(y=400 m截面)Fig. 6 The stress distribution nephogram of the single working face of E9-10protecting J15working face (y=400 m section)

表5 戊9-10單一工作面保護己15工作面應力分布

2.2 雙重保護層開采被保護層傾向應力分布規律

2.2.1 丁5-6、戊9-10工作面區段煤柱相互掩護

如圖7所示,該截面為表2中方案4。此時丁5-6、戊9-10工作面均開采完畢,己15煤層21030工作面位于雙重保護層下方。由表6可知,當己15工作面位于丁5-6、戊9-10煤層工作面疊加采動卸壓區域下方時,卸壓范圍進一步向下延伸,己15煤層卸壓值進一步增加,由-14～-16 MPa卸壓至-7.5～-10 MPa,卸壓值最大達6.5 MPa。同時,對應的丁5-6、戊9-10煤層工作面間的區段煤柱的集中應力降低。丁5-6工作面右側集中應力是由于丁5-6右側存在一個較短工作面,該截面恰好位于該工作面走向邊界導致。

圖7 丁5-6、戊9-10工作面交錯布置保護己15工作面應力分布云圖(y=580 m截面)Fig. 7 The stress distribution nephogram of D5-6and E9-10working faces staggered arrangement to protect Ji15 working face (y=580 m section)

表6 丁5-6、戊9-10工作面交錯布置保護己15工作面應力分布

2.2.2 丁5-6、戊9-10煤層工作面區段煤柱未相互掩護

如圖8所示,該截面為表2中方案5。此時丁5-6、戊9-10工作面均開采完畢,丁5-6、戊9-10煤層工作面區段煤柱未相互掩護。由表7可知,己15煤層由-14～-16 MPa卸壓至-11～-13 MPa,卸壓值最大達3 MPa。同時,對應的丁5-6、戊9-10煤層工作面間區段煤柱集中應力增加,最大集中應力達到34 MPa。

圖8 丁5-6、戊9-10工作面未交錯布置保護己15工作面應力分布云圖(y=260 m截面)Fig. 8 The stress distribution nephogram of D5-6and E9-10working faces without staggered arrangement to protect J15working face (y=260 m section)

表7 丁5-6、戊9-10工作面未交錯布置保護己15工作面應力分布

2.3 雙重保護層開采被保護層走向應力分布規律

前述給出了丁5-6、戊9-10煤層工作面開采不同保護類型時,己15煤層工作面傾向應力分布規律。為進一步確定己15煤層工作面走向應力分布情況,取丁5-6、戊9-10煤層開采后,己15煤層21030工作面的走向切面應力進行分析,如圖9所示。

圖9 丁5-6、戊9-10工作面開采后己15-21030工作面走向切面Fig. 9 The trend section of J15-21030 working face after the mining of D5-6and E9-10

由圖9(b)(c)可知,己15煤層工作面在走向方向上卸壓角不同。當己15煤層工作面走向邊界位于戊9-10煤層工作面單獨保護區域時,卸壓角較大為65°;位于丁5-6煤層工作面單獨保護區域時,對應的卸壓角較小為50°,如圖9(b)中虛線所示,且水平應力變化較小。

圖10為丁5-6、戊9-10煤層開采前后己15煤層21030工作面的走向應力分布對比。由圖10可知,最大卸壓值位于工作面走向300～700 m范圍內,此處為雙重保護層疊加保護區域,卸壓影響范圍為工作面走向100 m到1 150 m范圍內。

圖10 丁5-6、戊9-10煤層開采前后己15-21030工作面走向切面應力值對比Fig. 10 Comparison of the stress values of trend section of J15-21030 working face before and after the mining of D5-6and E9-10

圖11為丁5-6、戊9-10煤層開采后,己15煤層全區的應力分布情況。由圖 11可知,在雙重保護層保護區域的卸壓值較大,且呈橢圓形。當丁5-6煤層工作面或戊9-10煤層工作面單獨保護時,卸壓區域不規則延伸,且卸壓值減小。

圖11 丁5-6、戊9-10開采后己組煤層全區應力分布Fig. 11 Stress distribution in the whole area of the Group J coal seam after the mining of D5-6and E9-10

2.4 雙重保護層開采后己15煤層工作面回采應力演化規律

為指導己15煤層工作面采掘計劃設計并優化瓦斯抽采鉆孔布置,進一步分析了己15煤層21030工作面回采過程中工作面前方支承壓力應力集中系數的演化規律。依據圖12所示應力云圖,統計應力集中系數如表8所示。

圖12 己15煤層回采應力演化規律Fig. 12 Law of evolution of mining stress in coal seam of J15

表8 工作面推進應力集中系數

推進過程中距開切眼300～1 000 m范圍內應力集中系數相對較小。最大應力集中系數為3.40,最小應力集中系數為1.98,在回采中應注意對應力集中系數較大區域提前給出安全防治措施。

3 應力分布規律現場驗證

3.1 測試方法及原理

鉆屑量是一種綜合反映煤體應力、瓦斯壓力和煤的物理力學性質的指標。鉆孔形成后,在其周圍將形成破碎區、塑性軟化區和彈性區,不同圍巖應力環境下鉆孔三區分布范圍不同,導致鉆屑量不同,鉆屑量測試能間接反映鉆孔圍巖應力分布情況,圍巖應力值越大,鉆屑量越大。

3.2 測試方案

針對丁5-6、戊9-10煤層對己15煤層的保護類型,共設計了7個考察區域布置了13個施工位置開展鉆孔鉆屑量考察,如表9所示。

表9 分區情況說明

3.3 測試過程及結果

靜水壓力下巷道圍巖處于彈性變形階段,切向及徑向集中應力影響范圍為3～5倍巷道半徑,巷道寬度為4.8 m,估算應力集中影響范圍為14.4～24 m。剔除巷道周圍應力重分布影響,從鉆進至24 m處開始取屑,直至鉆進至79 m終止,測試位置如圖13所示,部分測試結果如圖14所示。

注:圖中紅色線為丁5-6煤層工作面;藍色線為戊9-10煤層工作面;綠色線為己15煤層工作面 圖13 己15-21030工作面鉆屑量測試位置Fig. 13 Drilling cuttings weight test position at J15-21030 working face

圖14 不同區域鉆屑量測試結果Fig. 14 Test results of drilling cuttings weight in different areas

3.4 測試結果分析

數值計算表明己15煤層原始區域應力值為14～16 MPa,區域五、區域六鉆屑量測試對應該方案,平均鉆屑量16.5 kg/m,如圖14(a)所示;區域四鉆屑量測試對應方案2,最大卸壓值為2 MPa,平均鉆屑量14.8 kg/m;區域二鉆屑量測試對應方案4,疊加采空區下方己15煤層卸壓情況,卸壓區域最大卸壓值6.5 MPa,平均鉆屑量10.8 kg/m;區域一鉆屑量測試對應方案4,掩護煤柱下方己15煤層卸壓情況,卸壓值為4 MPa,平均鉆屑量為11.3 kg/m;區域三鉆屑量測試對應方案5,丁5-6、戊9-10工作面煤柱未相互掩護,區域最大集中應力值可達到34 MPa,最大卸壓值3 MPa,平均鉆屑量12.3 kg/m;區域七對應該方案3,戊9-10單一工作面保護己15煤層,卸壓最大值為4 MPa,平均鉆屑量11.7 kg/m,如圖14(b)所示。圖14中給出了區域六、七的鉆屑量測試結果,其他區域鉆屑量值測試可參考文獻[26],各區域測試結果均能反映卸壓值變化情況。

4 現場應用

現場實測表明,己15-21030工作面瓦斯含量及壓力較大,因此需要科學制定采掘計劃及抽采鉆孔布置方案。依據數值計算結果,卸壓區范圍為工作面走向100 m到1 150 m,最大卸壓值位于工作面走向300 m到700 m范圍內,應力集中系數在300～1 000 m范圍內較小。當前正常情況下巷道日掘進進尺為8 m/d,根據卸壓區分布情況,將卸壓區外掘進時的進尺調整為4 m/d,工作面走向300～700 m范圍內的掘進進尺按原計劃8 m/d進行,其余區域掘進進尺調整為6 m/d。原設計本煤層預抽鉆孔間距為2.5 m,在卸壓區外將鉆孔間距調整為1.5 m,走向300～700 m范圍內按原計劃2.5 m間距設計,其余區域調整為2.0 m間距。回采過程中在300～1 000 m范圍內保持正常回采速度,在該范圍外降低工作面推進速度。調整設計方案后,依據后續掘進反饋數據,未發生瓦斯突出及超限事故。

5 結 論

1)丁5-6煤層單一工作面保護己15煤層時,煤柱為邊界煤柱,煤柱應力集中值達到19 MPa,影響范圍達到下方80 m。卸壓影響至己15煤層,己15煤層垂直應力最大卸壓值為1 MPa。戊9-10單一工作面保護己15煤層時,垂直應力卸壓值最大達4 MPa。丁5-6煤層多工作面保護己15煤層時,丁5-6工作面區段煤柱應力集中值達39 MPa,向下影響范圍較小為26 m,對己15煤層最大卸壓值為2 MPa,水平應力變化不明顯。邊界煤柱集中應力較區段煤柱小,但向下影響范圍大。

2)丁5-6、戊9-10煤層雙重保護時,工作面區段煤柱相互掩護時,垂直應力卸壓值最大達6.5 MPa。丁5-6、戊9-10煤層工作面相互掩護使得工作面區段煤柱集中應力由39 MPa卸載至10 MPa。水平應力卸壓值變化不明顯。工作面區段煤柱未相互掩護時,垂直應力卸壓值最大為3 MPa,煤柱集中應力制約了被保護層的卸壓。丁、戊煤層雙重疊加掩護卸壓增強了卸壓效應降低了區段煤柱的應力集中,較單一煤層開采明顯提高了被保護層的卸壓值。

3)開展了現場工作面鉆屑量測試,驗證了雙重保護層開采應力分布規律。得到己15煤層21030工作面卸壓影響范圍為工作面100 m到1 150 m,最大卸壓值位于工作面走向300 m到700 m范圍內,應力集中系數在300～1 000 m范圍內較小。依據上述規律制定了采掘計劃及抽采鉆孔設計方案。